第十七章 波粒二象性
第二节 科学的转折：光的粒子性
光是什么？
观点一：托马斯. 杨-------光的干涉
菲涅尔--------光的衍射
波
马吕斯----光的偏振
观点二：赫兹光电效应
粒子
人类对光的本性的认识的发展过程：
菲涅耳
惠更斯 波动说
托马 斯·杨 双缝干涉
实验
衍射实验
赫兹 电磁波实验
麦克斯韦
电磁说
密立根由于研究基本电荷和 光电效应，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝 尔物理学奖
四.光电效应在近代技术中的应用
利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性,可 以制造光电转换器——实现光信号与电信号之间的相 互转换。这些光电转换器如光电管(photoelement)等， 广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和 自动控制等诸多方面。
波 动 性
1690 1672
1801 1814
1864 1888 1905
……….
T/年
牛顿
赫兹
爱因斯坦
粒 子
微粒说
发现光电效应 光子说
性
牛顿微粒说 占主导地位
波动说 渐成真理
一、光电效应现象：
1.金属在光（包括 不可见光）的照射 下，从表面逸出电 子的现象叫光电效应
2.发射出来的电子叫 光电子 3.光电子定向移动形成的电流叫光电流
2. 无法解释波长改变和散射角的关系。
六、光子的能量和动量
Em2cEh h
m c2
Pmch c2 •chc h
Eh
P h
动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的
光子理论对康普顿效应的解释
康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的 结果，具体解释如下：
1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一 部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于 是散射光的波长大于入射光的波长。
实验装置
阴极
K
A
V R
单色光 阳极 G
1、存在着饱和电流
光照不变，增大UAK，G表中 电流达到某一值后不再增大， 即达到饱和值。
因为光照条件一定时，K单位 时间发射的电子数目一定。
△实验表明：入射光越强， 单位时间内发射的光电子数越 多；
△入射光越强，饱和光电流越大。
2、存在着遏止电压和截止频率
以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无 法用经典的波动理论来解释光电效应。
四.爱因斯坦的光电效应方程
1.光子说(爱因斯坦于1905年提出)
在空间传播的光不是连续的而是一 份一份的，每一份叫做一个光子，光 子的能量跟它的频率成正比。
即:E＝hν ，ν 表示光的频率，h 叫
普朗克常量，h＝6.63×10-34焦耳．秒
光电倍增管(photomultiplier)是把光信号变为电信 号的常用器件。
当光照射到阴极 k 使它发射光电子，这光电子在电压作用下 加速轰击第一阴极k1，使之又发射次级光电子，这些次级光电 子再被加速轰击第二阴极k2 ,...... 如此继续下去，利用10～15
个次阴极，可将光电流放大几百万倍。即一束微弱的入射光， 将转变成放大了的光电流，可以通过电流计显示出来。
按照光的电磁理论，应得出以下结论： ①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 ； ②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可 获得足够能量从表面逸出，不应存在截止频率 ； ③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，这个时间远远大于10-9 S。
五、康普顿效应
1.光的散射
光在介质中与物质微粒相互作用,因而传 播方向发生改变,这种现象叫做光的散射
2.康普顿效应
1923年康普顿在做 X 射线通过物
质散射的实验时，发现散射线中除有 与入射线波长相同的射线外，还有比 入射线波长更长的射线，其波长的改 变量与散射角有关，而与入射线波长 和散射物质都无关。
（2）、存在着截止频率
实验：1.不同单色光
2.不同金属
任何一种金属，都有一个截 止频率，入射光的频率必须 大于这个截止频率才能产生 光电效应，低于这个频率的
光，无论光强怎样大，也不 能产生光电效应。
不同金属的截止频率不同。
△光电子的能量只与入射光的频率有关。 △入射光的频率低于截止频率时不能发生 光电效应。
2.光电效应方程
①逸出功：金属表面上的电子逸出 时要克服金属原子核的引力所做功 的最小值。
不同金属,其逸出功不同。
有：W0= hν0
②光电效应方程：Ek＝hν－W0
3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释
Ek＝hν－W0
●解释截止频率 ●解释饱和光电流 ●解释瞬时性
EK
ν
0
ν0
－W0
爱因斯坦由于对光电效 应的理论解释和对理论 物理学的贡献获得1921 年诺贝尔物理学奖
2. 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,由于光子质量远 小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光 子能量几乎不变，波长不变。
4.康普顿散射实验的意义
（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设； （3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能 量守恒定律仍然是成立的。
3. 光电效应具有瞬时性
△当入射光频率超过截止频率时，无论入射光怎 样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。 △精确测量表明产生电流的时间不超过10－9 秒，即光电效应几乎是瞬时的。
单色光
KA G
V R
二、光电效应的实验规律
1、存在着饱和电流 2、存在着遏止电压和截止频率 3、效应具有瞬时性
三.光电效应解释中的疑难:
(1)存在遏止电压Uc :使光电流减小到零的反向电压
U=0时，I≠0，因为电子有初速度 加反向电压，如右图所示：
光电子所受电场力方向与光电子
速度方向相反，光电子作减速运
动。若
1 2
mevc2
eUc
++++++
U
一
一
v
一
－
一
一
一
速率最大的是 vc
则I=0，式中UC为遏止电压 最大初动能
△同一频率光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。 △光照频率越高，遏止电压越高。
3、康普顿散射的实验装置与规律：
X 射线管
晶体光阑散射波长 Nhomakorabea0
j
探
测
器
石墨体 (散射物质)
X 射线谱仪
康普顿正在测晶体 对X 射线的散射
按经典电磁理论：
如果入射X光是某
种波长的电磁波， 散射光的波长是
不会改变的！
经典电磁理论在解释康普顿效应时 遇到的困难
1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通 过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动， 其频率等于入射光频率，所以它所发射的散 射光频率应等于入射光频率。