爱因斯坦的光量子假设.ppt

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1、爱因斯坦的光量子假设现在学习的是第1页，共31页 红限（截止）频率红限（截止）频率2 光电效应的实验规律光电效应的实验规律 只只有有当当入入射射光光频频率率 大大于于一一定定的的频频率率 0 时时，才才会会产产生生光电效应，光电效应，0 称为截止频率或红限频率！称为截止频率或红限频率！现在学习的是第2页，共31页光电流光电流光强光强当入射光的当入射光的频频率率给给定后定后(0)，光，光电电流与入射光流与入射光强强成正比成正比 现在学习的是第3页，共31页 在在入入射射光光强强一一定定时时光光电电流流会会随随U的的增增大大，最最后后达达到到一一饱饱和和值值im。饱和光电流饱和光电流 饱和电流与入

2、射饱和电流与入射光强成正比光强成正比现在学习的是第4页，共31页 当电压为零时光电流并不为零，甚至反向电压当电压为零时光电流并不为零，甚至反向电压不太大时仍有光电流存在，当反向电压大到一定数不太大时仍有光电流存在，当反向电压大到一定数值值Ua 时光电流完全变为零。称时光电流完全变为零。称Ua为为遏止电压遏止电压。遏止电压遏止电压现在学习的是第5页，共31页 遏止电压随入射光频率的增加而增加，两者成线性遏止电压随入射光频率的增加而增加，两者成线性关系，与入射光强无关，即关系，与入射光强无关，即 Ua=K -U0 当入射光无论如何弱，当入射光无论如何弱，光电子在光照射的瞬间可产光电子在光照射的瞬间

3、可产生，驰豫时间不超过生，驰豫时间不超过10-9 s 光电效应瞬时发生的光电效应瞬时发生的现在学习的是第6页，共31页21.3.2 爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设 光光电电效效应应的的成成因因：金金属属表表面面对对电电子子具具有有束束缚缚作作用用，电电子子脱脱离离金金属属表表面面所所需需要要的的能能量量，所所需需的的最最少少能能量量称称为为逸逸出出功功(work function)，用，用 A表示。表示。其中其中Ephoton为吸收的为吸收的电磁波能量电磁波能量 电子逸出功、光电子的动能、和光子的能量满足关系：电子逸出功、光电子的动能、和光子的能量满足关系：现在学习的是第7页，共31

4、页 若若用用极极微微弱弱的的光光照照射射，阴阴极极电电子子积积累累能能量量达达到到逸逸出出功功A需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！按按照照光光的的经经典典电电磁磁理理论论：光光波波的的强强度度与与频频率率无无关关，电电子子吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率！吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率！1 经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难现在学习的是第8页，共31页(3)电子在离开金属面时具有的初动能电子在离开金属面时具有的初动能:2 爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设为了解释光电效应，爱因斯坦假设为了解释光电效应，爱因斯坦假设(1)光是由

5、一颗一颗的光是由一颗一颗的光子光子（光量子（光量子）组成。每个光子的组成。每个光子的能量与其频率成正比，即能量与其频率成正比，即(2)一一个个光光子子只只能能整整个个地地被被电电子子吸吸收收或或放放出出。光光量量子子具具有有“整体性整体性”。光电效应方程光电效应方程现在学习的是第9页，共31页 电电子子离离开开金金属属表表面面的的动动能能至至少少为为零零，故故当当 A/h时时，不发生光电效应。可发生光电效应的最小频率即红限频率不发生光电效应。可发生光电效应的最小频率即红限频率利用爱因斯坦光电方程可以解释：利用爱因斯坦光电方程可以解释：不同金属的不同金属的A不同，则红限频率不同。不同，则红限频率

6、不同。现在学习的是第10页，共31页4.06.08.0 10.0(1014Hz)0.01.02.0 UaCsNaCa斜率斜率K与金属材料种类无关，与金属材料种类无关，截距截距U0 与金属材料与金属材料A有关有关可可看看出出Ua-曲曲线线的的斜斜率率相相同同，但但在在横横轴轴上上的的截截距距不不同同。即：即：遏止电压与入射光频率成线性关系，与入射光强无关遏止电压与入射光频率成线性关系，与入射光强无关 显然电子初动能与显然电子初动能与Ua 之间有关系之间有关系现在学习的是第11页，共31页 由直线斜率由直线斜率K的测量可以确定（光电效应）普朗克的测量可以确定（光电效应）普朗克常数。常数。Milli

7、kan 极极力力反反对对爱爱因因斯斯坦坦的的光光子子假假说说，花花了了十十年年测测量量光光电电效效应应，得得到到了了遏遏止止电电压压和和光光子子频频率率的的严严格格线线性性关系关系3 光电效应的实验验证光电效应的实验验证现在学习的是第12页，共31页Albert Einstein(18791955)美美国国物物理理学学家家，1921年年由由于于他他在在光光电电效效应应方方面面的的工作而获诺贝尔物理学奖工作而获诺贝尔物理学奖现在学习的是第13页，共31页 R.A.Millikan(密立根密立根)研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有最小研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有最小单位，

8、单位，1923诺贝尔物理学奖得主诺贝尔物理学奖得主现在学习的是第14页，共31页(1)光电管光电管光信号光信号电信号电信号用于光信号的记录、自动控制等用于光信号的记录、自动控制等4 光电效应的应用光电效应的应用(2)光电倍增管光电倍增管光信号光信号电信号电信号 用于弱光电信号的放大用于弱光电信号的放大可将光电流放大数百可将光电流放大数百万倍。万倍。现在学习的是第15页，共31页解解（1）黄光的能量、质量和动量分别为）黄光的能量、质量和动量分别为例例 已知铯的逸出功已知铯的逸出功A=1.9eV,用钠黄光用钠黄光 =589.3nm照照射铯。计算：射铯。计算：（1）黄光的能量、质量和动量；）黄光的能

9、量、质量和动量；（2）铯在光电效应中释放的光电子的动能；）铯在光电效应中释放的光电子的动能；（3）铯的遏止电压、红限频率。）铯的遏止电压、红限频率。现在学习的是第16页，共31页(2)铯在光电效应中释放的光电子的动能为铯在光电效应中释放的光电子的动能为(3)铯的遏止电压为铯的遏止电压为红限频率为红限频率为现在学习的是第17页，共31页康普顿康普顿(A.H.Compton)除除光光电电效效应应外外，光光波波的的量量子子性性还还表表现现在在光光散散射射的的康康普普顿顿效效应应。该该效应是光显示出其粒子性的又一著名实验。效应是光显示出其粒子性的又一著名实验。1927诺贝尔物理学奖得主诺贝尔物理学奖得

10、主 1922-1923年年，康康普普顿顿研研究究了了X射射线线在在石石墨墨上上的的散散射射，在在散散射射的的X射射线线中中不不但但存存在在与与入入射射线线波波长长相相同同的的射射线线，同同时时还还存存在在波波长长大大于于入入射射线线波波长长的射线成份的射线成份康普顿效应。康普顿效应。21.3.3 康普顿散射康普顿散射现在学习的是第18页，共31页X 射线射线 0入射光入射光 散射光散射光探测器探测器1 康普顿散射的实验装置康普顿散射的实验装置现在学习的是第19页，共31页2 实验规律实验规律 1)散散射射光光除除原原波波长长 0外外，还还出出现现了了波波长长大大于于 0的的新新的的散散射射波波

11、长长 。现在学习的是第20页，共31页2 实验规律实验规律 2)波长差波长差 =-0 随散随散射角的增大而增大。射角的增大而增大。现在学习的是第21页，共31页2 实验规律实验规律 3)新新波波长长的的谱谱线线强强度度随随散散射射角角 的的增增加加而而增增加加，但但原原波波长长的的谱谱线线强强度降低度降低。现在学习的是第22页，共31页 4)对对不不同同的的散散射射物物质质，只只要要在在同同一一个个散散射射角角下下，波波长长的的改改变变量量-0都都相相同同，与与散散射物质无关！射物质无关！2 实验规律实验规律 现在学习的是第23页，共31页经典电磁理论的困难：经典电磁理论的困难：如果入射如果入

12、射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的会改变的不能解释散射中的新波长成份不能解释散射中的新波长成份 现在学习的是第24页，共31页 X射线光子与原子射线光子与原子“内层电子内层电子”的弹性碰撞的弹性碰撞3 康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释 康康普普顿顿认认为为：X光光的的散散射射应应是是光光子子与与原原子子内内层层和和外外层层电电子的碰撞的结果。子的碰撞的结果。内内层层电电子子与与核核结结合合较较为为紧紧密密（keV)，他他认认为为碰碰撞撞实实际际上上可可以以看看作作是是发发生生在在光光子子与与质质量量很很大大的的整整个个原原子子间间的

13、的碰碰撞撞光光子基本上不失去能量子基本上不失去能量保持原性质不变（波长不变）。保持原性质不变（波长不变）。1)定性解释定性解释现在学习的是第25页，共31页 X射线光子与原子射线光子与原子“外层电子外层电子”的弹性碰撞的弹性碰撞 外外层层电电子子与与核核结结合合较较弱弱（几几个个eV）与与X光光子子相相比比，这这些些电电子子近近似似看看成成为为“静静止止”的的“自自由由”电电子子 光光子子与与电电子子的的弹弹性性碰碰撞撞光光子子失失去去部部分能量，频率分能量，频率，波长，波长 康普顿效应康普顿效应 康康普普顿顿的的成成功功也也不不是是一一帆帆风风顺顺的的，在在他他早早期期的的几几篇篇论论文文中

14、中，一一直直认认为为散散射射光光频频率率的的改改变变是是由由于于“混混进进来来了了某某种种荧荧光光辐辐射射”；在在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。现在学习的是第26页，共31页2)定量计算定量计算X 射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞弹性碰撞 康普顿波长为普适常量，与物质种类无关！理论和实验康普顿波长为普适常量，与物质种类无关！理论和实验结果符合得很好。结果符合得很好。现在学习的是第27页，共31页只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时时，康康普普顿顿效效应应才才显显著著，

15、因因此此要要用用X射射线线才才能能观观察察到到康康普普顿顿散散射射，用用可可见见光光观察不到康普顿散射。对可见光来讲，观察不到康普顿散射。对可见光来讲，说明说明不可能观测到康普顿效应不可能观测到康普顿效应现在学习的是第28页，共31页康康普普顿顿效效应应中中的的自自由由电电子子不不能能像像光光电电效效应应那那样样吸吸收收光光子而是散射光子。若静止的自由电子吸收光子子而是散射光子。若静止的自由电子吸收光子不可能！不可能！自由电子不可能吸收光子，只能散射光子。自由电子不可能吸收光子，只能散射光子。现在学习的是第29页，共31页 例例 已知入射波长为已知入射波长为 。（1）求在）求在 方向观测到的散射光波长方向观测到的散射光波长（2）计算相应康普顿散射反冲电子的动量与动能。）计算相应康普顿散射反冲电子的动量与动能。解：解：在在 方向观测到的散射光波长的增量为方向观测到的散射光波长的增量为现在学习的是第30页，共31页由动能守恒由动能守恒波长为波长为现在学习的是第31页，共31页