15.2 光电效应 爱因斯坦光量子理论.ppt
大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律 金属及其化合物在光照射下发射电子的现金属及其化合物在光照射下发射电子的现象称为象称为光电效应。光电效应。逸出的电子为逸出的电子为光电子光电子，所测，所测电流为电流为光电流。光电流。光电效应现象是德国物理学家赫兹于光电效应现象是德国物理学家赫兹于1887年研究电磁波的性质时偶然发现的。年研究电磁波的性质时偶然发现的。当时当时赫兹只是注意到用紫外线照射在放电赫兹只是注意到用紫外线照射在放电电极上时，放电比较容易发生，却不知道这一电极上时，放电比较容易发生，却不知道这一现象产生的原因。现象产生的原因。1大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 爱因斯坦爱因斯坦(Einstein)UAkGTKA入射入射光线光线 1.实验原理实验原理 T 为真空管，为真空管，K 为为发射电子的阴极，发射电子的阴极，A 为为阳极，用一定频率和强阳极，用一定频率和强度的单色光照射度的单色光照射K时时,金属将释放出光电子，金属将释放出光电子，若在两极若在两极 上加一定的电上加一定的电压压 U,则回路中就出则回路中就出现光电流。现光电流。2大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 伏安曲线伏安曲线 2.实验规律实验规律 （1）光电流）光电流 阴极阴极 K 在单位时间内发射的光电在单位时间内发射的光电子数与入射光的强度子数与入射光的强度 I 成成正比。正比。光电流光电流I 随随UAK增大增大而增大，趋于饱和值而增大，趋于饱和值 is，光电流与单位时间从阴光电流与单位时间从阴极发射的光电子数成正极发射的光电子数成正比。比。3大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 （2）截止频率）截止频率 对一定金属，只有入射光对一定金属，只有入射光的频率大于某一频率的频率大于某一频率0时时,电子才能从该金属电子才能从该金属表面逸出，这个频率叫表面逸出，这个频率叫（红限红限）。）。如果入射光的频率小于截止频率则无论入如果入射光的频率小于截止频率则无论入射光强度多大，都没有光电子逸出。射光强度多大，都没有光电子逸出。4大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 几种金属的逸出功和红线几种金属的逸出功和红线 不同物质的红线不同，多数金属的红线在不同物质的红线不同，多数金属的红线在紫外区。紫外区。5大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 （3）遏止电压）遏止电压 当当UAK=0时，时，I0。因为因为从阴极发出的光电子具有一定的从阴极发出的光电子具有一定的初动能初动能，它可，它可以克服减速电场而到达阳极。以克服减速电场而到达阳极。当当 UAK 0 并达并达到一定值时到一定值时,I=0,此时电压称为此时电压称为遏止电压遏止电压Ua。表明在此电压下，逸出金属后具有最大动能的表明在此电压下，逸出金属后具有最大动能的光电子也不能到达阳极。光电子也不能到达阳极。此时有此时有 6大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 （4）瞬时性）瞬时性 光电效应具有瞬时性，响应光电效应具有瞬时性，响应速度很快，延迟时间不超过速度很快，延迟时间不超过10-9秒。秒。遏止电压与照射光的频率成线性关系。遏止电压与照射光的频率成线性关系。7大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 1.经典理论认为经典理论认为光强越大，饱和电流应该光强越大，饱和电流应该大，大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。动能也与频率有关。2.经典理论认为有无光电效应不应与频率经典理论认为有无光电效应不应与频率有关。但实验上光电流与红限有关。有关。但实验上光电流与红限有关。二、经典物理解释的困难二、经典物理解释的困难 3.在在瞬时性上，瞬时性上，经典理论认为光能量分布经典理论认为光能量分布在波面上，吸收能量需要时间，即光电子逸出在波面上，吸收能量需要时间，即光电子逸出金属表面所需能量应有一段时间的积累过程。金属表面所需能量应有一段时间的积累过程。8大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 三、爱因斯坦光子假说和光电效应方程三、爱因斯坦光子假说和光电效应方程 一束光是一束以光速运动的粒子流，这些一束光是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子；粒子称为光子；频率为频率为v 的每一个光子所具有的每一个光子所具有的能量为的能量为 hv,它不能再分割，只能整个地被它不能再分割，只能整个地被吸收或产生出来。吸收或产生出来。1.光子假说光子假说 爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上进爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上进一步提出了一步提出了光子光子假设。假设。光子：光子：9大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 2.光电效应方程光电效应方程 按照光子假说按照光子假说,并根据能量守恒定律并根据能量守恒定律,当金当金属中一个电子从入射光中吸收一个光子后，获属中一个电子从入射光中吸收一个光子后，获得能量得能量 hv，如果，如果hv 大于该金属的电子逸出功大于该金属的电子逸出功A，这个电子就能从金属中逸出，并且有，这个电子就能从金属中逸出，并且有 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程式中式中 是光电子的最大初动能。是光电子的最大初动能。10大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 3.爱因斯坦对光电效应的实验解释爱因斯坦对光电效应的实验解释 （1）入射光的强度）入射光的强度 I 取决于单位时间内垂取决于单位时间内垂直通过单位面积的光子数直通过单位面积的光子数 n。入射光较强时，含有的光子数较多，所以入射光较强时，含有的光子数较多，所以获得能量而逸出的电子数也多，饱和电流自然获得能量而逸出的电子数也多，饱和电流自然也就大。也就大。（2）当）当 时时,电子无法获得足够能量电子无法获得足够能量脱离金属表面，因此存在红限脱离金属表面，因此存在红限 。11大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础（3）根据根据 遏止电压与入射光的频率成正比，比例系遏止电压与入射光的频率成正比，比例系数与材料的性质无关。数与材料的性质无关。得得 （4）入射光中光子的能量被金属表面的电）入射光中光子的能量被金属表面的电子一次吸收，因此具有瞬时性。子一次吸收，因此具有瞬时性。12大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 1916年美国实验物理学家年美国实验物理学家密立根，利用光密立根，利用光电效应测定了普朗克常量电效应测定了普朗克常量 h，从而，从而证实了爱因证实了爱因斯坦光子论的正确性。斯坦光子论的正确性。密立根根据密立根根据截止电压截止电压与入射光的频率成正比关与入射光的频率成正比关系，得到如图所示的系，得到如图所示的 Ua 直线。直线。红限红限 对于金属钠，对于金属钠，该直线该直线的斜率为的斜率为13大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 由爱因斯坦方程由爱因斯坦方程利用利用两边取微分两边取微分,得得爱因斯坦方程写成爱因斯坦方程写成通过计算可得通过计算可得此值与公认值此值与公认值 较接近。较接近。14大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 由于由于爱因斯坦在理论物理方面的成就和发爱因斯坦在理论物理方面的成就和发现光电效应规律现光电效应规律；密立根在基本电荷和光电效；密立根在基本电荷和光电效应方面的工作，两位物理学家分别于应方面的工作，两位物理学家分别于1921年和年和1923年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。15大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 四、光（电磁辐射）的波粒二象性四、光（电磁辐射）的波粒二象性 光子动量光子动量光子能量光子能量光子质量光子质量 光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。光在传播过程中，波光在传播过程中，波动性比较显著，光在与物质相互作用时（发射动性比较显著，光在与物质相互作用时（发射和吸收），粒子性比较显著。和吸收），粒子性比较显著。16大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 五、光电效应的应用五、光电效应的应用 利用光电效应可以制成光电成像器件，能利用光电效应可以制成光电成像器件，能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可观察记录、传输、储存的图像。观察记录、传输、储存的图像。例如，例如，红外变像管可以使红外辐射图像转红外变像管可以使红外辐射图像转变为可见光图像。变为可见光图像。像增强器可以把夜间像增强器可以把夜间微弱光学图像增强为微弱光学图像增强为高亮度可见光学图像。高亮度可见光学图像。光电倍增管可以将微弱光信号转换成可测光电倍增管可以将微弱光信号转换成可测电信号。电信号。17大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 解解例例1波长为波长为 450 nm 的光照射到金属表面。的光照射到金属表面。求（求（1）光子的能量和动量；（）光子的能量和动量；（2）光电子的逸）光电子的逸出动能；（出动能；（3）如果光子的能量为）如果光子的能量为 2.40eV,其波其波长为多少？长为多少？以电子伏特为能量单位以电子伏特为能量单位,则则 （1）光子能量）光子能量 18大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 光子的动量光子的动量（2）由爱因斯坦方程由爱因斯坦方程金属钠的逸出功金属钠的逸出功 A=2.28 eV（3）如果光子能量为如果光子能量为 2.40 eV,则则波长波长 19大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础 解解 例例2 钾的光电效应红限为钾的光电效应红限为0=6.210-7m。求（求（1）电子的逸出功；）电子的逸出功；（2）在波长为）在波长为3.0 10-7m的紫外线照射下的紫外线照射下,遏遏止电压为多少？止电压为多少？（3）电子的初速度为多少？）电子的初速度为多少？（1）逸出功）逸出功 20大学物理大学物理 第三次修订本第三次修订本第第15章章 量子物理基础量子物理基础（2）利用利用 遏止电压遏止电压 （3）电子的初速度）电子的初速度 21
