2021-2022学年高二物理竞赛课件：光电效应.pptx

光电效应光电效应1921年年 爱因斯坦因阐明光电效应原理爱因斯坦因阐明光电效应原理获诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖1923年年 密立根密立根因测量电子电荷，并研因测量电子电荷，并研 究光电效应究光电效应获诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖普朗克假设普朗克假设（1900 1900 年）年）普朗克常量普朗克常量 能量子能量子 为单元来吸收为单元来吸收或发射能量或发射能量.普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的而是以与振子的频率成正比的 空腔壁上的带空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为电谐振子吸收或发射能量应为 振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到普朗克公式。律和经典电动力学理论，得到普朗克公式。能量子的概念是非常新奇的，它冲破能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获了卓越贡献，获19181918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。普朗克普朗克一一 光电效应实验的规律光电效应实验的规律VA（1）实验装置实验装置 光照射至金属表面光照射至金属表面,电子从金电子从金属表面逸出属表面逸出,称其为称其为光电子光电子.（2）实验规律实验规律 截止频率（红限）截止频率（红限）几种几种纯金属的纯金属的截止截止频率频率 仅当仅当 才发生光电效应，才发生光电效应，截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关 .金属金属截止频率截止频率4.545 5.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.29 电流饱和值电流饱和值 遏止电压遏止电压 瞬时性瞬时性 遏止电势差与入射光频率遏止电势差与入射光频率具有线性关系而与具有线性关系而与光强无关光强无关.当光照射到金属表面上时，当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出几乎立即就有光电子逸出（光强）（光强）N：单位时间内产生的光电子数目：单位时间内产生的光电子数目 按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止表面为止.与实验结果不符与实验结果不符 .（3 3）经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 红限问题红限问题 瞬时性问题瞬时性问题 按经典理论按经典理论,无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只要其强度只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属 .与实与实验结果不符验结果不符.遏止电压遏止电压问题问题按经典理论，按经典理论，遏止电压与光强有关，而与频率无关。遏止电压与光强有关，而与频率无关。二二 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程（1）“光量子光量子”假设假设光子的能量为光子的能量为几种金属的逸出功几种金属的逸出功金属金属钠钠 铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂2.28 4.08 3.34 4.70 4.73 6.35爱因斯坦方程爱因斯坦方程 逸出功与逸出功与材料有关材料有关注意：逸出功还与电子在金属内的位置有关。公式中注意：逸出功还与电子在金属内的位置有关。公式中逸出功通常取最小值，动能则是最大值。逸出功通常取最小值，动能则是最大值。光子射至金属表面，一个光子携带的能量光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一将一 次性被一个电子吸收，若次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，电子立即逸出，无需时间积累（无需时间积累（瞬时瞬时性）性）.截止频率截止频率爱因斯坦方程爱因斯坦方程产生光电效应条件条件产生光电效应条件条件 对同一种金属，对同一种金属，一定，一定，,与光强无关与光强无关（2）解释实验解释实验 光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，饱和光电流越大子数目越多，饱和光电流越大.（）（3）的测定的测定爱因斯坦方程爱因斯坦方程遏止电势差和入射光遏止电势差和入射光频率的关系频率的关系:逸出电势逸出电势 1920 1920年，美国物理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X X射线被物质散射线被物质散射时，发现射时，发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生发生变化变化了的成分了的成分.康普顿效应 经典电磁理论预言，经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射散射辐射具有和入射辐射一样的频率一样的频率.经典理论无经典理论无法解释波长变化法解释波长变化.实验结果实验结果（相对强度）（相对强度）（波长）（波长）在散射在散射X X 射线中除有射线中除有与入射波长相同的射线外，与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长还有波长比入射波长更长的射线的射线.经典理论的困难经典理论的困难光子光子电子电子 电子反冲速度很大，需用电子反冲速度很大，需用相对论力学相对论力学来处理来处理.（1 1）物理模型物理模型 入射光子（入射光子（X 射线或射线或 射线）能量大射线）能量大 .固体表面电子束缚较弱，可视为固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子近自由电子.量子解释量子解释电子电子光子光子 电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，可近似为静止电子静止电子.范围为：范围为：光子与电子发生弹性碰撞也遵守光子与电子发生弹性碰撞也遵守能量守恒能量守恒和和动量守恒动量守恒.（2）理论分析理论分析能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒