光的粒子性

点击领取高中全科视频
高中物理辅导书《极简物理》上市!

刘叔物理公众号

高中物理选修3—4学习中我们知道光可以发生干涉衍射,说明了光具有波动性,这节课在学习光的另一个性质——粒子性。


光到底是什么,为此科学家们争论了几百年,从牛顿的“微粒说”,到托马斯.杨和涅菲尔的波动说,现在认为光具有波动性和粒子性,即光具有波粒二象性。

光的本性历史回顾

光电效应

照到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出,这种现象称为光电效应

光电效应实验

光电效应实验电路图

实验规律 :

1、存在着饱和电流,在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流趋于一个饱和值。也就是说,在电流较小时电流随着电压的增大而增大;但当电流增大到一定之后,即使电压再增大,电流也不会增大。

2、存在着遏止电压和截止频率,当所加的电压U为0时,电流I并不为零。只有施加反向电压,也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极,在光电管两极形成使减速的电场,电流才有可能为0。使光电流减小到零的反向电压Uc称为遏止电压,遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度,初速度的上限Vc应该满足以下关系:

3、实验还表明,对于一定颜色频率的光,无论光照强度如何,遏止电压电压都是一样的。当光的频率ν改变时,遏止电压Uc也会改变。这表明光电子的能量只与入射光的频率有关,与入射光的强弱无光。入射光的频率越高,光电子的最大初动能越大。

4、实验中还有一个惊人的发现,当入射光频率减小到某一数值Vc时,即使不施加反向电压也没有光电流,这说明已经没有光电子了。这个频率Vc我们称为截止频率或者极限频率。这说明,当入射光的频率低于截止频率时不会发生光电效应。实验还表面,不同金属的截止频率不同。

5、光电效应具有瞬时性,当频率超过截止频率Vc时,无论入射光怎样微弱,几乎在照到金属时立即产生光电流,即光电效应几乎是瞬时的。

光电效应解释中的疑难

经典理论认为光的强度反映光的能量,光越强光的能量越大,光越强,逸出的电子数越多,光电流也就越大。光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压Uc应与光的强弱有关。但实验表明:对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的。

经典理论认为不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率,但实验结果却存在截止频率。

如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。但光电效应几乎是瞬时发生的。

爱因斯坦的光量子假设

为了解释光电效应,爱因斯坦认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。

E=hν

h为普朗克常量,ν为光的频率。

按照爱因斯坦的理论,在光电效应中,金属的电子吸收一个光子获得的能量是hv,这些能量的一部分用来克服金属的逸出功Wo,剩下的表现为逸出功后的电子的初动能Ek,即:

这就是著名的光电效应方程,其中hv表示频率为v的光子的频率,Ek表示光电子的最大初动能,Wo表示克服金属的逸出功。

光电效应方程对光电效应的解释

1、光强较大时,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。

2、爱因斯坦方程表明,光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系,频率越大最大初动能越大,与光强无关。

3、只有当hν>W0时,才有光电子逸出,ν=Wo/h就是光电效应的截止频率。

4、电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时发生的。

最后,美国物理学家密立根经过十年之久的实验,证实了爱因斯坦光电效应方式的正确性,1921年爱因斯坦因发现了光电效应的规律而获得了诺贝尔物理学奖。

光电效应说明光子和其他粒子一样,具有能量,说明了光具有粒子性。

康普顿效应

光子的动量

由质能方程,可以质量m与能量E的关系:E=mc²。

又由一个光子的能量E=hv。

联立上面两式可得m=hv/c²。

根据c/v=λ,p=mv

最终可得p=h/λ(此公式说明光具有波粒二象性)

高中物理知识点总结

发表评论

邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注