同步預習:選修3--5第17章第二節光的粒子性第二、三課時愛因斯坦光電效應方程與康普頓效應

2021-03-01 紅教學工作隨筆

在學習愛因斯坦光電效應之前,先要了解用經典電磁理論來解釋光電效應現象存在的矛盾之處,體會一下科學家們在尋找真理的過程中的曲折歷程。

愛因斯坦光電效應方程不僅僅是本節的重點,也是本章的重點。

本課時的學習目標:

知道愛因斯坦光電效應方程及意義

會用光電效應方程來解決簡單問題

本課時學習重點和難點:

   愛因斯坦光電效應方程以及意義

學習過程講解:

(一)經典電磁理論能夠解釋光電效應的部分:

按照經典電磁理論:

金屬中原子外層電子會脫離原子而做無規則的熱運動,但並不能大量逸出金屬表面,這說明金屬表層內存在一種力,這種力阻礙電子的逸出;

若要逸出,則需要克服這種阻礙做功,使電子逸出金屬表面所做功的最小值,叫做這種金屬的逸出功,用W0表示;

只要電子吸收的能量與原有的熱運動能量之和大於逸出功,電子就能從金屬表面逸出,形成光電子;並且光越強,逸出的電子數越多,光電流就越大;

(二)經典電磁理論不能夠解釋光電效應的部分:

入射光越強,光電子的初動能應該越大,所以遏止電壓應該與光的強弱有關;

不管光的頻率如何,只要光足夠強,電子都可以獲得足夠的能量從金屬表面逸出,不應該存在截止頻率;

如果光很弱,但照射時間足夠長,也可以使電子逸出,而不一定是瞬時發生

對於遏止電壓和光的頻率的關係,經典電磁理論更是無法解釋;

(三)愛因斯坦光子說及光電效應方程:

(四)光電效應的綜合練習及在近代技術中的應用

(五)康普頓效應

康普頓效應是愛因期坦的光量子說的又一重要例證。它同樣為我們展示了科學家所進行的科學探究的過程。而康普頓最成功的地方在於引入了光子也有動量的觀點,將光的粒子學說完善了。對康普頓的解釋有兩種解釋,一是定量解釋,光子與晶體中電子碰撞時遵守能量守恆定律和動量守恆定律;二是定性解釋,根據光子的動量表達式,動量變小,波長變長。

(上述括號中的散射角為120度)

(六)光子的動量

光子的動量公式可以用已學的理論推出來,但我們不要求用它來計算,但要注意公式中的質量應該是愛因斯坦的相對論質量,因為光子的速度為光速,當速度達到光速時,質量已經不再是靜止質量。

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    然後從光電效應的實驗規律出發,為正確解釋光電效應實驗中的現象,提出了光量子假說,在光量子假說的基礎上再進行推理,得出理論方程,並得到實驗的實證。建議同學們在學習時,將教材中的演示實驗或研究原理電路圖弄懂,這樣有利於後面的學習。
  • 高二新課選修3-5——《康普頓效應及其解釋》
    3-5第35頁至36頁後完成以下知識要點填空。可見,光的電磁理論在解釋康普頓效應時,再次遇到了困難(前兩節的學習中,光的電磁理論在光電效應中也遇到了困難)。康普頓用_______提出的光子假說十分成功地解釋了這種效應。
  • 康普頓效應
    美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時,發現在散射的X射線中,除了與入射波長l0相同的成分外,還有波長大於l0的成分,這個現象稱為康普頓效應。二、康普頓效應的解釋按照經典光的電磁理論,光波波長在散射前後應該不變。可見,光的電磁理論在解釋康普頓效應時,遇到了困難。康普頓用愛因斯坦提出的光子假說十分成功地解釋了這種效應。
  • 光電效應和康普頓效應的機理分析
    某一特定金屬在光照下產生光電效應有一個特定的最低光波頻率,只有光波頻率高於此值時才會產生光電效應,而與光的強度無關。光的強度只能在光的頻率達到最低值以上時影響單位時間內電子脫離金屬表面的數量。不同的金屬產生光電效應時的最低光波頻率也不同。也就是說:對於某種特定的金屬來說,光是否能夠從它的表面打擊出電子來,這隻和光的頻率有關。
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    一、什麼是光電效應?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。在光電效應中逸出的電子秤為光電子,光電子定向移動形成的電流叫光電流。光電效應存在截止頻率:實驗發現不是任何光照射,都能產生光電流。需要光達到一定的頻率,而與光照的強度無關,即頻率達不到,光再強也沒用。能使電子逸出的最低頻率稱為截止頻率。並且不同金屬的截止頻率不同。存在飽和電流:光照不變,增大電壓,電流增加到一定值後,不再增加,即達到飽和值。
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  • 光電效應
    然而,所有試圖解釋光電效應的主要特徵——光電子的能量不依賴光源的強度,沒有延時的情況,存在頻率閾值,即光在該頻率以下就不會觀察到光電效應——基於光的波動性質的上的努力均告失敗。1905年,阿爾伯特·愛因斯坦利用存在光量子的假設,解決了光電效應引起的所有問題。當單個電子吸收一個光子後,光子的能量,ε= h –ω就完全轉移到電子。
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  • 習題解析之康普頓效應
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  • 光電效應與光子|走進量子力學(3)
    與其他量子一樣,光子具有波粒二象性:光子能夠表現出經典波的折射、幹涉、衍射等性質;而光子的粒子性可由光電效應證明。光子只能傳遞量子化的能量,是點陣粒子,是圈量子粒子的質能相態。量子電動力學確立後,確認光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過發射或吸收光子而相互作用,正反帶電粒子對可湮沒轉化為光子,它們也可以在電磁場中產生。光子是光線中攜帶能量的粒子。
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  • 量子力學(三)光電效應:這18年間,唯一一位認真對待光量子的人
    (這是關於黑體輻射的問題:)通過他的這個假設,愛因斯坦得到了靈感,大膽提出了要解決光電效應的問題,光也必須是「一粒一粒」的。這時普朗克還是一臉困惑,他認為愛因斯坦這「玩笑「」開大了。對公式過敏的同學,可以直接理解下面這段文字:愛因斯坦通過這幾個公式把粒子和波統一了起來:粒子的能量和動量是通過波的頻率和波長來計算的,也就是說,愛因斯坦把光同時賦予了粒子和波的屬性。於是他斷言:光具有波粒二象性!
  • 量子力學4:愛因斯坦完美解釋光電效應,光具有波粒二象性
    光電效應問題,那年愛因斯坦26歲,正值青春年少精力充沛,年輕人也比較容易接受這些新奇想法。 1921年愛因斯坦因為完美解釋了光電效應問題而獲得了諾貝爾物理學獎至此我們第二個問題光電效應和第三個問題黑體輻射都得到了很好的理論解釋。其實人類歷史上對於光的認識是波還是粒子一直爭論不休。最早給出系統理論解釋的是惠更斯說光是一種波,就像水一樣波動,還推導出了折射和反射定律,但是沒能解釋衍射。過了幾年,牛頓大神說這個光不是波是微粒,還有就是胡克也支持光的波動學說,他和牛頓一直不合。
  • 高中物理3-5物理學史
    【書本28頁】2.在研究了光電效應後,1905年,愛因斯坦表示普朗克提出的能量子觀點還不夠徹底,愛因斯坦認為光本身就是由一個個不可分割的能量子組成,該能量子後來稱為光子。(愛因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學獎) 【書本32頁】3.1907年起,美國物理學家密立根開始以精湛的技術測量光電效應中的幾個重要的物理量,以檢驗愛因斯坦光電效應方程的正確性。
  • 第二次科學—大革命,影響人類文明進程的十七位科學家排行榜。
    1:愛因斯坦狹義與廣義相對論學說的創立者,提出E=MC2質能方程式,時空彎曲,因發現光電效應獲得諾貝爾物理學獎。5:狄拉克他給出的狄拉克方程可以描述費米子的物理行為,並且預測了反物質的存在。並且把愛因斯坦關於光的波粒二象性的思想加以擴展。他認為實物粒子如電子也具有物質周期過程的頻率,伴隨物體的運動也有由相位來定義的相波即德布羅意波,後來薛定愕解釋波函數的物理意義時稱為「物質波」。
  • 外光電效應
    光電效應是指物體吸收了光能後轉換為該物體中某些電子的能量,從而產生的電效應。光電傳感器的工作原理基於光電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類外光電效應 在光線的作用下,物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫做光電子。基於外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。