愛因斯坦的光量子假設和康普頓效應第2課時17.1科學的轉折：光的粒子性教學目標

知識與技能：1．通過實驗了解光電效應的實驗規律。2．知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。3．了解康普頓效應，了解光子的動量過程與方法：經歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規律。3、情感態度與價值觀：領略自然界的奇妙與和諧，發展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規律的艱辛與喜悅。【重點難點】1、重點：光電效應的實驗規律2、難點：愛因斯坦光電效應方程以及意義1.什么是光電效應

當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為光電效應。逸出的電子稱為光電子。知識回顧：一.光電效應的實驗規律光電子定向移動形成的電流叫光電流一.光電效應的實驗規律2.光電效應實驗規律（1）存在飽和電流光照不變，增大UAK，G表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。因為光照條件一定時，K發射的電子數目一定。實驗表明：入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發射的光電子數越多。陽極陰極：使光電流減小到零的反向電壓－++++++

一一一一一一v加反向電壓，如右圖所示：光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反，光電子作減速運動。若最大的初動能U=0時，I≠0，因為電子有初速度則I=0，式中UC為遏止電壓一.光電效應的實驗規律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UCEEUFKA經研究后發現：一.光電效應的實驗規律b.存在截止頻率c對于每種金屬，都相應確定的截止頻率c。

當入射光頻率

>c

時，電子才能逸出金屬表面；當入射光頻率

<c時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。(2)存在遏止電壓和截止頻率陽極陰極實驗結果：即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉。更精確的研究推知，光電子發射所經過的時間不超過10－9秒（這個現象一般稱作“光電子的瞬時發射”）。光電效應在極短的時間內完成一.光電效應的實驗規律(3)具有瞬時性陽極陰極勒納德等人通過實驗得出以下結論：①對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發生光電效應，低于這個頻率就不能發生光電效應；②當入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強，飽和電流越大；③光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時，光電子的發射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒.

一.光電效應的實驗規律1.光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。愛因斯坦的光子說愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發，他提出：三.愛因斯坦的光量子假設2.愛因斯坦的光電效應方程1.光子：或——光電子最大初動能

——金屬的逸出功

W0一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出后電子的初動能Ek，即：三.愛因斯坦的光量子假設3.光子說對光電效應的解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關系，與光強無關。只有當hν>W0時，才有光電子逸出，就是光電效應的截止頻率。②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發生的。③光強較大時，包含的光子數較多，照射金屬時產生的光電子多，因而飽和電流大。三.愛因斯坦的光量子假設由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規律,榮獲1921年諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。4.光電效應理論的驗證

美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。三.愛因斯坦的光量子假設愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。思考與討論？課本P33放大器控制機構

可以用于自動控制，自動計數、自動報警、自動跟蹤等。四.光電效應在近代技術中的應用1.光控繼電器可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管應用光電管光電源電流計IAK1.光的散射光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方向發生改變,這種現象叫做光的散射2.康普頓效應

1923年康普頓在做X射線通過物質散射的實驗時，發現散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關，而與入射線波長

和散射物質都無關。五.康普頓效應3.康普頓散射的實驗裝置與規律：晶體

光闌X射線管探測器X射線譜儀

石墨體(散射物質)j0散射波長五.康普頓效應康普頓正在測晶體對X射線的散射

按經典電磁理論：

如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光的波長是不會改變的！五.康普頓效應練習課本例題P36分析由上面討論結果可得：

對于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止電壓UC與光的頻率ν之間是線性關系即：Uc—ν圖象是一條斜率為的直線練習課本例題P36分析由上面討論結果可得：遏止電壓Uc與光電子的最大初動能Ek有關Ek越大，Uc越高；Uc為零，Ek為零，即沒有光電子所以與遏止電壓Uc=0對應的頻率應該是截止頻率νc由以上分析可知：根據數據作Uc—ν圖象即可求得遏止電壓Uc=0對應的頻率就是截止頻率νcUc—ν圖象是一條斜率為的直線2.如圖17.2-1所示，用導線將驗電器與潔凈鋅板連接，觸摸鋅板使驗電器指示歸零，用紫外線照射鋅板，驗電器指針發生明顯偏轉，接著用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸鋅板，發現驗電器指針張角減小，此現象說明鋅板帶_____電（選填“正”或“負”）;若改用紅外線重復以上實驗,結果發現驗電器指針根本不會偏轉,說明金屬鋅的極限頻率_________紅外線的頻率（選填“大于”或“小于”）。正大于1.經典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難二.康普頓效應解釋中的疑難①根據經典電磁波理論，當電磁波通過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發射的散射光頻率應等于入射光頻率。②無法解釋波長改變和散射角關系。2.光子理論對康普頓效應的解釋二.康普頓效應解釋中的疑難①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。

②若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質量遠小于原子質量，根據碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。

③因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。1.有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設；2.首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設；3.證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。三.康普頓散射實驗的意義康普頓效應康普頓效應康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎(1892-1962)美國物理學家19271925—1926年，吳有訓用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質，4.吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年,參加了發現康普頓效應的研究工作.對證實康普頓效應作出了重要貢獻。在同一散射角()測量各種波長的散射光強度，作了大量X射線散射實驗。（1897-1977）吳有訓三.康普頓散射實驗的意義四.光子的動量動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的光的粒子性一、光電效應的基本規律小結1.光電效應現象2.光電效應實驗規律①對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發生光電效應，低于這個頻率就不能發生光電效應；②當入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光的強度成正比；③光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時，光電子的發射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒.

（3）光子說對光電效應的解釋（2）愛因斯坦的光電效應方程三、愛因斯坦的光電效應方程（1）光子：二、光電效應解釋中的疑難1.在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，這時()A.鋅板帶正電，指針帶負電B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負電，指針帶正電D.鋅板帶負電，指針帶負電B練習2.一束黃光照射某金屬表面時，不能產生光電效應，則下列措施中可能使該金屬產生光電效應的是()A.延長光照時間B.增大光束的強度C.換用紅光照射D.換用紫光照射D練習3.關于光子說的基本內容有以下幾點，不正確的是()A.在空間傳播的光是不連續的，而是一份一份的，每一份叫一個光子B.光是具有質量、能量和體積的物質微粒子C.光子的能量跟它的頻率成正比D.光子客觀并不存在，而是人為假設的練習B4.關于光電效應下述說法中正確的是()A.光電子的最大初動能隨著入射光的強度增大而增大B.只要入射光的強度足夠強，照射時間足夠長，就一定能產生光電效應C.在光電效應中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無關D.任何一種金屬都有一個極限頻率，低于這個頻率的光不能發生光電效應練習D練習1、在可見光范圍內，哪種顏色光的光子能量最大？想想看，這種光是否一定最亮？為什么？在可見光范圍內，紫光的光子能量最大，因為其頻率最高。紫光不是最亮的。一為光強，因為光的亮