第17章-波粒二象性..优秀PPT.ppt

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1、无锡市第一中学第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性第一节第一节 能量量子化能量量子化其次节其次节 光的粒子性光的粒子性第三节第三节 粒子的波动性粒子的波动性第四节第四节 概率波概率波第五节第五节 不确定关系不确定关系19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。在热学方面，成功地说明白温度、压强、气在热学方面，成功地说明白温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到

2、了力、电、光、声力、电、光、声-等都遵循的规律：能量转等都遵循的规律：能量转化与守恒定律。当时很多物理学家都沉醉于化与守恒定律。当时很多物理学家都沉醉于这些成果和成功之中。他们认为物理学已经这些成果和成功之中。他们认为物理学已经发展到头了。发展到头了。材料鉴赏材料鉴赏:1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言的发言:“科学的大厦已经基本完成，科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-也就是说：

3、物理学已经没有什么新东西了，后一辈科也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈科学家只要把做过的试验再精确一下，在试验数据的小学家只要把做过的试验再精确一下，在试验数据的小数点后面再加几位罢了！数点后面再加几位罢了！但开尔文终归是一位重视现实和有视力的但开尔文终归是一位重视现实和有视力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？黑体辐射实验黑体辐射实验光的速度光的速度后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成

4、为一场革后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。花。普朗克量子力学的诞生普朗克量子力学的诞生相对论问世相对论问世这两朵乌云究竟是什么回事呢？这两朵乌云究竟是什么回事呢？经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域第一节：第一节：思索与探讨1 1，在炉火旁边有什么感觉？，在炉火旁边有什么感觉？2 2，投在炉中的铁块一起先是什么，投在炉中的铁块一起先是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？颜色？过一会儿又是什么颜色？800K1000K1200K1400K固体在温度上升时颜色的变

5、更：固体在温度上升时颜色的变更：热辐射现象：一切物体在任何温度下都在热辐射现象：一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。所以叫做热辐射。辐射规律：辐射规律：1.1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，不同波长，辐射强度不同。不同波长，辐射强度不同。2.2.温度上升，辐射强度增大，同时辐射温度上升，辐射强度增大，同时辐射电磁波的频率和波长也在变更。电磁波的频率和波长也在变更。问题：如何探讨物体的热辐射规律？问题：如何探讨物体的热辐射规律？留意：除了热辐射外，物体表面还会吸留意：除了热辐

6、射外，物体表面还会吸取和反射外界射来的电磁波。取和反射外界射来的电磁波。例如：常温下我们看到的物体颜色就是例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸取了其物体反射了该频率的电磁波，吸取了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，其实是它吸取全部电磁波，反射的电磁其实是它吸取全部电磁波，反射的电磁波很弱。波很弱。那么：在探讨物体热辐射中，应如何避那么：在探讨物体热辐射中，应如何避开反射电磁波的影响？开反射电磁波的影响？一、黑体及黑体辐射一、黑体及黑体辐射志向的热辐射体是志向的热辐射体是“确定黑体确定黑体”，简称，简称“黑体黑体”。它在任何温度下

7、都能全部吸取入。它在任何温度下都能全部吸取入射的各种波长的电磁波而不发生反射。射的各种波长的电磁波而不发生反射。在空腔壁上开一个在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔中会的电磁波在空腔中会发生多次反射和吸取，发生多次反射和吸取，最终不能从空腔射出。最终不能从空腔射出。这个小孔就可以看成这个小孔就可以看成一个确定黑体。一个确定黑体。德国物理学家基尔霍夫首先提出了确定黑体的模型。德国物理学家基尔霍夫首先提出了确定黑体的模型。说明：说明：黑体是个志向化的模型。例：开孔的空黑体是个志向化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。腔，远处的窗口等可近似看作黑体。试验

8、表明：对于一般材料的物体，辐射试验表明：对于一般材料的物体，辐射电磁波的状况除与温度有关外，还与材料电磁波的状况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关，因而可以波的规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有一般意义的客观规律。于是，反映某种具有一般意义的客观规律。于是，在探讨热辐射的规律时人们特殊留意对在探讨热辐射的规律时人们特殊留意对黑体辐射的探讨。黑体辐射的探讨。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K二、黑体辐射的试验规律二、黑体辐射的试验规律随着温度的上升：随着温度的上

9、升：1 1、各种波长的辐射强度都、各种波长的辐射强度都有增加；有增加；2 2、辐射强度的极大值向波、辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。长较短的方向移动。瑞利公式在长波部分与试验结果比较吻合。但瑞利公式在长波部分与试验结果比较吻合。但在紫外区在紫外区(波长范围在紫外线旁边波长范围在紫外线旁边)竟算得辐射竟算得辐射强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理学理论的灾难，当时称为学理论的灾难，当时称为“紫外灾难紫外灾难”。瑞利理论值瑞利理论值维恩理论值维恩理论值实验实验T=1646k维恩公式在维恩公式在短波部分与短波部分与试验结果吻试验结果吻合得很好，合得很

10、好，但长波却不但长波却不行。行。三、能量子三、能量子三、能量子三、能量子 超越牛顿的发觉超越牛顿的发觉超越牛顿的发觉超越牛顿的发觉 微观世界的某微观世界的某些规律，在我们些规律，在我们宏观世界看来可宏观世界看来可能特别惊异。能特别惊异。普朗克能量子理论普朗克能量子理论*微观粒子的能量只能是某一最小能量值微观粒子的能量只能是某一最小能量值的整数的整数倍，倍，E=n（n=1,2,），这个不行再分的最小能），这个不行再分的最小能量值量值叫能量子。叫能量子。n为正整数，称为量子数。为正整数，称为量子数。*带电微粒吸取和辐射能量时，也是以这个带电微粒吸取和辐射能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地

11、辐射和吸取的。最小能量值为单位一份一份地辐射和吸取的。h=6.626 10-34 JS-普朗克常数普朗克常数*能量子的能量：能量子的能量：=h （是辐射吸取的电是辐射吸取的电磁波的频率）磁波的频率）(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克理论理论实验值实验值理论与试验符合的让人击掌叫绝理论与试验符合的让人击掌叫绝理论与试验符合的让人击掌叫绝理论与试验符合的让人击掌叫绝1800K能量量子化：能量量子化：宏观世界中：能量可以是随意值，可以连续变更。宏观世界中：能量可以是随意值，可以连续变更。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。微观世界中：微观

12、粒子的能量只能是一个一个的微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变更。（能量量子化），例如：特定值，不能连续变更。（能量量子化），例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。量子化：只能取一系列分立值，不能连续变更量子化：只能取一系列分立值，不能连续变更你能举诞生活中你能举诞生活中“量子化量子化”例子吗？例子吗？普朗克的量子化理论变更了人们对世界的根本相普朗克的量子化理论变更了人们对世界的根本相识。识。19001900年不仅成为新世纪的起先，也成为物理年不仅成为新世纪的起先，也成为物理学的一个新纪元。学的一个新纪元。1818年后

13、，普朗克为此获得了诺年后，普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。问题与练习问题与练习 在一杯开水中放入一枝温度计，在一杯开水中放入一枝温度计，开水静置室内，可以看到开水的温度开水静置室内，可以看到开水的温度是渐渐降低的，既然从微观的角度来是渐渐降低的，既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的，为什看能量是一份一份向外辐射的，为什么它的温度不是一段一段地降低？么它的温度不是一段一段地降低？说明：明：1.1.开水向外辐射的每一分能量子能量很小开水向外辐射的每一分能量子能量很小（微观量），而水降低（微观量），而水降低11释放的能量很大释放的能量很大（宏观量），由于温度计的精度不够，所以（

14、宏观量），由于温度计的精度不够，所以视察到的温度计温度不是一段一段地降低的。视察到的温度计温度不是一段一段地降低的。2.2.在宏观尺度内探讨物体的能量变更时我们在宏观尺度内探讨物体的能量变更时我们可以认为：物体的运动是连续的可以认为：物体的运动是连续的,能量变更是能量变更是连续的连续的,不必考虑量子化。（因为每个能量子不必考虑量子化。（因为每个能量子的能量很小，宏观物体的能量不连续变更特的能量很小，宏观物体的能量不连续变更特别不明显，可以忽视不计。）别不明显，可以忽视不计。）3.3.在探讨微观粒子时必需考虑能量量子化在探讨微观粒子时必需考虑能量量子化意义：意义：普普朗朗克克抛抛弃弃了了经经典典

15、物物理理中中的的能能量量可可连连续续变变更更、物物体体辐辐射射或或吸吸取取的的能能量量可可以以为为随随意意值值的的旧旧观观点点，提提出出了了能能量量量量子子化化、物物体体辐辐射射或或吸吸取取能能量量只只能能一一份份一一份份地地按按不不连连续续的的方方式式进进行行的的新新观观点点。这这不不仅仅成成功功地地解解决决了了热热辐辐射射中中的的难难题题，而而且且开开创创物物理理学学探探讨讨新新局局面面，标标记记着着人人类类对对自自然然规规律律的的相相识识已已经经从从从从宏宏观观领领域域进进入入微微观观领领域域，为为量量子子力力学的诞生奠定了基础。学的诞生奠定了基础。扩展阅读扩展阅读:变革的困难变革的困难

16、19001900年年1212月月1414日普朗克在德国物理学会上报告日普朗克在德国物理学会上报告了自己的探讨结果，他的公式受到欢迎，但他了自己的探讨结果，他的公式受到欢迎，但他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人信任的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人信任他的假说。他的假说。能量的变更竟然是不连续的，这与物理学界几能量的变更竟然是不连续的，这与物理学界几百年来信奉的百年来信奉的“自然界无跳动自然界无跳动”的原则干脆冲的原则干脆冲突，因此量子论出现之后，很多物理学家不予突，因此量子论出现之后，很多物理学家不予接受接受,物理学界最初的反应是极其冷淡的。人物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普

17、朗克那个同试验一样的阅历性的辐们只承认普朗克那个同试验一样的阅历性的辐射公式，而不承认他的理论性的量子假说。射公式，而不承认他的理论性的量子假说。缺憾的是，普朗克虽然发觉了能量子，但他不缺憾的是，普朗克虽然发觉了能量子，但他不能理解这一发觉的意义，对自己的发觉长期惴能理解这一发觉的意义，对自己的发觉长期惴惴担忧。在发觉能量子之后的长达年时间，惴担忧。在发觉能量子之后的长达年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在闲逛他总想退回到经典物理学的立场。他曾在闲逛时对儿子说：时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发义，要么可能成为牛顿

18、以后物理学上最大的发觉。觉。”普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经典物理学特别熟严格的经典物理学训练，对经典物理学特别熟悉和酷爱。他不情愿同经典物理学决裂，只是悉和酷爱。他不情愿同经典物理学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能量子理论是不彻底的，他的理论还是以他的能量子理论是不彻底的，他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于粒子对电磁波的吸取和的量子假说仅仅局限于粒子对电磁波的吸取和放射的

19、特殊性上。放射的特殊性上。年，爱因斯坦提出光量子假说，年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地说明白光电效应；年，他成功地说明白光电效应；年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；年，玻尔将量子理论引入成功；年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论说明到原子结构理论中，克服了经典理论说明原子稳定性的困难，建立了他的原子结构原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；模型，取得了原子物理学划时代的进展；年，康普顿通过试验最终使物理年，康普顿通过试验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使学家们确认光量子图景的实在

20、性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。量子理论得到科学界的普遍承认。科学的发展总是在困难中前进，失败不行科学的发展总是在困难中前进，失败不行怕，它是人类进步的阶梯。怕，它是人类进步的阶梯。课堂练习课堂练习1.请你填空请你填空:在做全国人口普查时我们关切的是在做全国人口普查时我们关切的是:现现在全国有几在全国有几_人人,班级小组长在数人数时常用班级小组长在数人数时常用:一一_,两两_;等等.2.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍.那么红那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小光的最小能量比紫光的最小能量大还是小?本节课的主要学问本节课的主要学问:微观粒子的运

21、动微观粒子的运动是不连续的是不连续的,在放射和吸取能量的时候，在放射和吸取能量的时候，不是连续的，而是一份一份的。能量是不是连续的，而是一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=h其次节 光的粒子性光的干涉、衍射现象说明白光是电磁波，光的干涉、衍射现象说明白光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。光的偏振现象进一步说明光还是横波。1919世纪世纪6060年头，麦克斯韦又从理论上确定了年头，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正值人们以为光的波动理论似乎特别完备正值人们以为光的波动理论似乎特别完备的时候，

22、又发觉了用波动说无法说明的新的时候，又发觉了用波动说无法说明的新现象现象-光电效应现象。对这一现象及其光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的探讨，使得人们对光的又一他相关问题的探讨，使得人们对光的又一本质性相识得到了发展。本质性相识得到了发展。用弧光灯照射擦得用弧光灯照射擦得很亮的锌板，很亮的锌板，(留意留意用导线与不带电的用导线与不带电的验电器相连），使验电器相连），使验电器张角增大到验电器张角增大到约为约为 30 30度时，再用度时，再用与丝绸磨擦过的玻与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张则验电器的指针张角会变大。角会变大。一、光电效应现象一、光电效应现象表明

23、锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电1.1.1.1.什么是光电效应什么是光电效应什么是光电效应什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，能使金属中的电子从当光线照射在金属表面时，能使金属中的电子从表面逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光表面逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。电子。光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流2.2.光电效应的试验规律光电效应的试验规律（1 1）存在饱和电流）存在饱和电流光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中表中电流达到某一值后不再增大，电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。即达到饱和值。

24、因为光照条件确定时，因为光照条件确定时，K K放放射的电子数目确定。射的电子数目确定。试验表明：试验表明：入射光越强，饱和电流越入射光越强，饱和电流越大，单位时间内放射的光大，单位时间内放射的光电子数越多。电子数越多。思索：思索：为为什么要加正什么要加正向向电压电压？不加正向？不加正向电压电压电电路中有路中有电电流流吗吗？分析解答：光束照在阴极分析解答：光束照在阴极K上会上会发发生光生光电电效效应现应现象，但象，但只有极少的只有极少的电电子能到达阳极子能到达阳极A，电电路中路中电电流很小。加了流很小。加了正向正向电压电压后，大量的后，大量的电电子在子在电场电场力的作用下向阳极运力的作用下向阳极

25、运动动，形成形成较较大大电电流。（加正向流。（加正向电电压压的目的是放大的目的是放大试验试验效果，效果，增加增加试验试验“可可见见性性”）。）。思索：保持光照条件不变，思索：保持光照条件不变，渐渐加大两极之间的电压，渐渐加大两极之间的电压，大家分析光电流会怎样变大家分析光电流会怎样变更？更？阳极阳极阴极阴极：使光电流减小到零的反：使光电流减小到零的反向电压向电压+一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一v加反向电压，如右图所示：加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子电子速度方向相反，光电子作减速运动。若作减速运动。若最

26、大的最大的初动能初动能U=0时，时，I0，因为电子有初速度因为电子有初速度则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压(2)(2)存在遏止电压和截止频率存在遏止电压和截止频率存在遏止存在遏止电压电压UCEEUFKA试验表明试验表明:对于确定颜色对于确定颜色(频率频率)的光的光,无论光的无论光的强弱如何强弱如何,遏止电压是一遏止电压是一样的样的.光的频率光的频率 变更变更时，遏止电压也会变更。时，遏止电压也会变更。光电子的光电子的能量能量只与只与入射入射光的频率光的频率有关，与入射有关，与入射光的强弱无关。光的强弱无关。IIsUaOU黄光（黄光（强）强）黄光（黄光（弱）弱）光电效应伏安特性曲线

27、光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流兰光兰光Ub思索：对刚才的试验，加思索：对刚才的试验，加了遏止电压后，假如再增了遏止电压后，假如再增大入射光的强度，电路中大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗强度，遏止电压会减小吗？经探讨后发觉：当入射光的频率减小经探讨后发觉：当入射光的频率减小到某一数值时，即使不施加反向电压也没到某一数值时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了，这有光电流，这表明已经没有光电子了，这一数值称为截止频率或极限频率。一数值称为截止频率或极限频率。存在截止频率存在截止频率 c对于每种金属，都相

28、应确定的截止频率对于每种金属，都相应确定的截止频率 c。当入射光频率当入射光频率 c 时，时，电子电子才能才能逸出逸出金金属表面；属表面；当入射光频率当入射光频率 W0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。就是光电效应的截止频率。电子一次性吸取光子的全部能量，不电子一次性吸取光子的全部能量，不须要积累能量的时间，光电流自然几乎须要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。是瞬时发生的。对于同种颜色（频率相同）的光，光较对于同种颜色（频率相同）的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。生的光电子多，

29、因而饱和电流大。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明白光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明白光电效应的试验规律效应的试验规律,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦光子假说圆满说明白光电效应，爱因斯坦光子假说圆满说明白光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违反了光的波动理论。它完全违反了光的波动理论。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做美国物理学家密立根，花了十年时间做了了“光电效应光电效应”试验，结果在试验，结果在19151915年证明白年证明白爱因斯坦方程，爱因斯

30、坦方程，h h 的值与理论值完全一样，的值与理论值完全一样，又一次证明白又一次证明白“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。爱因斯坦由于对光电效爱因斯坦由于对光电效应的理论说明和对理论应的理论说明和对理论物理学的贡献获得物理学的贡献获得19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于探讨基本电荷密立根由于探讨基本电荷和光电效应，特殊是通过和光电效应，特殊是通过著名的油滴试验，证明电著名的油滴试验，证明电荷有最小单位。获得荷有最小单位。获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。思索与探讨思索与探讨课本课本P33P33放大器放大器控制机构控制机构可以用于自动限制，可以用于自动

31、限制，自动计数、自动报自动计数、自动报警、自动跟踪等。警、自动跟踪等。四四四四.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用1.1.光控继电器光控继电器可可对对微弱光微弱光线进线进行放行放大，可使光大，可使光电电流放大流放大105108 倍，灵敏度倍，灵敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、科研、军军事等方面。事等方面。2.2.光电倍增管光电倍增管3.3.光电管光电管光电源电源电流计电流计IAK 康普顿效应康普顿效应第第2 2课时课时1.1.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传因

32、而传播方向发生变更播方向发生变更,这种现象叫做光的散射这种现象叫做光的散射2.2.2.2.康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 x 射线通过物质散射线通过物质散射的试验时，发觉散射线中除有与入射线射的试验时，发觉散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的变更量与散射角有关，长的射线，其波长的变更量与散射角有关，而与入射线波长而与入射线波长 和散射物质都无关。和散射物质都无关。五五五五.康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应3.3.康普顿散射的试验装置与规律：康普顿散射的试验装置与规律：晶

33、体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按按经经典典电电磁理磁理论论：假如入射假如入射X光是某光是某 种波种波长长的的电电磁波，磁波，散射光的波散射光的波长长是是 不会不会变变更的！更的！康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点：a.除原波除原波长长 0外出外出现现了移向了移向长长波方向的新的散射波波方向的新的散射波长长 。b.新波新波长长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。散射中出现散射中出现 0 的现象，的现象，称为称为康普顿散射。康普

34、顿散射。波波长长的偏移的偏移为为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.（A）0.7000.750波长波长.0 称为电子的称为电子的Compton波长波长只只有有当当入入射射波波长长0与与c可可比比拟拟时时，康康普普顿顿效效应应才才显显著著，因因此此要要用用X射射线线才才能能视视察察到到康普顿散射，用可见光视察不到康普顿散射。康普顿散射，用可见光视察不到康普顿散射。波波长长的的偏偏移移只只与与散散射射角角 有有关关，而而与与散散射射物物质质种种类类及入射的及入射的X射射线线的波的波长长 0 无关，无关，c=0.0241=2.41 10-3nm（试验值）（试验值）1.1.经典电磁理论在说明康普

35、顿效应时遇到的困难经典电磁理论在说明康普顿效应时遇到的困难五五五五.康普顿效应说明中的疑难康普顿效应说明中的疑难康普顿效应说明中的疑难康普顿效应说明中的疑难 依据经典电磁波理论，当电磁波通过依据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所放射其频率等于入射光频率，所以它所放射的散射光频率应等于入射光频率。的散射光频率应等于入射光频率。无法说明波长变更和散射角关系。无法说明波长变更和散射角关系。2.2.光子理论对康普顿效应的说明光子理论对康普顿效应的说明若光子和外层电子相碰撞，光子有一部若光子和外层电子相碰撞，

36、光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量削减，分能量传给电子，散射光子的能量削减，于是散射光的波长大于入射光的波长。于是散射光的波长大于入射光的波长。若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，依据碰撞理论，量远小于原子质量，依据碰撞理论，碰撞碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。前后光子能量几乎不变，波长不变。因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长变更和散射角有关。关，所以波长变更和散射角有关。1.1.有力地支持了爱因斯坦有力地支持了爱因斯

37、坦“光量子光量子”假设；假设；2.2.首次在试验上证明白首次在试验上证明白“光子具有动量光子具有动量”的的假设；假设；3.3.证明白在微观世界的单个碰撞事务中，证明白在微观世界的单个碰撞事务中，动量和能量守恒定律仍旧是成立的。动量和能量守恒定律仍旧是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，始终认为散射光频率的变更是由于几篇论文中，始终认为散射光频率的变更是由于“混进来了某种荧光辐射混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才相识到还要用动量守恒。考虑能量守恒，后来才相识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于1

38、9271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。六六六六.康普顿散射试验的意义康普顿散射试验的意义康普顿散射试验的意义康普顿散射试验的意义康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家192719251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线(0=5.62nm)为入射线为入射线,以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，4.4.吴有训对探讨康普顿效应的贡献吴有训对探讨康普顿效应的贡献1923年年,参与了发觉康普顿效应的探讨工作参与了发觉康普顿效应的探讨工作.对证明康

39、普顿效应作出了重要对证明康普顿效应作出了重要贡献。贡献。在同一散射角在同一散射角()测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。（1897-19771897-1977）吴有训吴有训六六六六.光子的动量光子的动量光子的动量光子的动量动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的光的粒子性光的粒子性一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律小结小结1.光电效应现象光电效应现象2.光电效应试验规律光电效应试验规律 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，

40、入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必需大于这个极限频率，才能发生光电效应，低频率必需大于这个极限频率，才能发生光电效应，低频率必需大于这个极限频率，才能发生光电效应，低频率必需大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应；当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；入射

41、光的强度成正比；入射光的强度成正比；入射光的强度成正比；光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光照到金属上时，光电子的放射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的放射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的放射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的放射几乎是瞬时的，一般不超过一般不超过一般不超过一般不超过10-910-9秒秒秒秒.1.1.在演示光电效应

42、的试验中，原来不带在演示光电效应的试验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，一个角度，如图所示，这时这时()()A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B练习练习2.2.一束黄光照射某金属表面时，不能产一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金生光电效应，则下列措施中可能使该金

43、属产生光电效应的是属产生光电效应的是()()A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D练习练习5.5.关于光电效应下述说法中正确的是关于光电效应下述说法中正确的是()()A.A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大而增大B.B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就确定能产生光电效应就确定能产生光电效应C.C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关的频率无关D.D.任

44、何一种金属都有一个极限频率，低于这个任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应频率的光不能发生光电效应练习练习D练习练习课本课本P361、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否确定最亮？为什么？想看，这种光是否确定最亮？为什么？在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。频率最高。紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。一为光强，一为光强，因为光的亮度由两个因素确定，因为光的亮度由两个因素确定，二为人眼的视觉灵敏度。二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼

45、对可见光中心部位在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。练习练习课本课本P362、在光电效应试验中、在光电效应试验中 （1）假如入射光强度增加，将产生什么结果？）假如入射光强度增加，将产生什么结果？（2）假如入射光频率增加，将产生什么结果？）假如入射光频率增加，将产生什么结果？（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，放射的光电子数增多；放射的光电子数增多；当入射光频率低于当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有

46、光电子放射出来。电子放射出来。（2）入射光的频率增加，放射的光电子最大初）入射光的频率增加，放射的光电子最大初动能增加。动能增加。练习练习课本例题课本例题P36分析由上面探讨结果可得：对于确定金属，逸出功对于确定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷是确定的，电子电荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系即：Uc图象是一条斜率为 的直线练习练习分析由上面探讨结果可得：遏止电压遏止电压Uc与光电子与光电子的最大初动能的最大初动能Ek有关有关Ek越大，越大，Uc越高；越高；Uc为零，为零，Ek为零，即没有光电子为零，即没有光电子所以与遏止电压所以与遏止

47、电压Uc=0Uc=0对应的频率应当是截止频率对应的频率应当是截止频率cc由以上分析可知：由以上分析可知：依据数据作依据数据作Uc图象即可求得图象即可求得遏止电压遏止电压U Uc c=0=0对应的频率就是截止频率对应的频率就是截止频率c cU Uc c图象是一条斜率为图象是一条斜率为 的直线的直线练习练习5 5、依据图、依据图17.2-217.2-2所示探讨光电效应的电路，利用能够所示探讨光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行试验，怎样测出普朗克常量？依据试验现象说明试验试验，怎样测出普朗克常量？依据试验现象说明试验步

48、骤和应当测量的物理量，写出依据本试验计算普朗步骤和应当测量的物理量，写出依据本试验计算普朗克常量的关系式。克常量的关系式。GVAKR单色光单色光分析：阳极与电源负极相接分析：阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接阴极与电源正极相接测出两种不同频率测出两种不同频率1、2光的遏止电压光的遏止电压U1、U2代入公式：代入公式：当入射光频率分别为当入射光频率分别为1、2时，测出遏止电压时，测出遏止电压U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得，由爱因斯坦光电效应方程可得联立上两式，解得联立上两式，解得其中其中e为电子的电量，测出为电子的电量，测出U1与与U2就可测出普朗克就可测出普朗克常量常量试验步骤：试

49、验步骤：（1 1）将图）将图17.2-217.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为滑动触头滑至最左边，用频率为1 1 的光照射，此时的光照射，此时电流表中有电流。电流表中有电流。将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，同时视察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。同时视察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。登记伏特表的示数登记伏特表的示数U1U1。（2 2）用频率为）用频率为22的光照射，重复（的光照射，重复（1 1）的操作，登）的操作，登记伏特表的示数记伏特表的示数U2U2。（3 3）应用）应用 计算计算h h。

50、（4 4）多次测量取平均值。）多次测量取平均值。颜色颜色波长波长/nm/nm频率频率 /1014HZ遏制电遏制电压压U/V最大动能最大动能EKm/eV绿绿兰兰紫紫（光强）（光强）紫紫（光弱）（光弱）1.1.电子能不能逸出：电子能不能逸出：2.2.电子能不能从电子能不能从K KAA：加速：加速：减速：减速：饱和电流与光强有关饱和电流与光强有关如如图图所示，一所示，一伦伦琴射琴射线线管，管，K为为阴极可阴极可产产生生电电子，子，阴极阴极K与与对对阴极阴极A外加外加电压电压UAK30 kV.设电设电子离子离开开K极极时时速度速度为为零，通零，通过电压过电压加速后而以极大的加速后而以极大的速度撞到速度