光电效应爱因斯坦的光量子论.ppt

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1、太原理工大学物理系太原理工大学物理系 1887年，赫兹在用莱顿瓶做放电实验时注年，赫兹在用莱顿瓶做放电实验时注意到，有意到，有紫外线紫外线照在火花隙的照在火花隙的负极负极上，上，放电放电就就比较比较容易容易发生。发生。1896年汤姆逊发现了电子之后年汤姆逊发现了电子之后,勒纳德证明勒纳德证明了光电效应中发出的是了光电效应中发出的是电子电子.16-2 16-2 16-2 16-2 光电效应光电效应光电效应光电效应 爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律光照射某些金属时能从表面

2、释放出电子的效应产光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应产生的电子称为生的电子称为光电子。光电子。1.1.光电效应光电效应太原理工大学物理系太原理工大学物理系2.2.实验装置实验装置GD为光电管；光通过石英窗口照射阴极为光电管；光通过石英窗口照射阴极K，光电，光电子从阴极表面子从阴极表面逸出逸出。光电子在电场加速下向阳极。光电子在电场加速下向阳极A运动，形成运动，形成光电流光电流。VAGDKA太原理工大学物理系太原理工大学物理系3.3.实验规律实验规律将换向开关反接，电场反向，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。向电场阻碍作用。电压达到某

3、一值电压达到某一值-U0 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。U0称反称反向向遏止电压。遏止电压。在一定强度的单色光照射下在一定强度的单色光照射下,光电流随加速电压光电流随加速电压的增加而增大的增加而增大,但当加速电压增加到一定量值时但当加速电压增加到一定量值时,光光电流电流达达饱和饱和值值is.加速电压为零时加速电压为零时,光电流不光电流不为零为零,说明光电子从金属表面说明光电子从金属表面逸出时具有逸出时具有初动能初动能.太原理工大学物理系太原理工大学物理系(1)1)光电流与光强的关系光电流与光强的关系 如果增加入射光的强度如果增加入射光的强度,饱和光电流饱和光电流is也随着增也随着增大大.

4、即饱和光电流与入射即饱和光电流与入射光的强度成正比。光的强度成正比。结论结论1 1：单位时间内单位时间内,从金属从金属表面释放出来的电子数和入表面释放出来的电子数和入射光的强度成正比。射光的强度成正比。（2）遏止电压）遏止电压 加遏止电压加遏止电压U0时时,光电光电子的动能全部用来克服电场子的动能全部用来克服电场力作功力作功太原理工大学物理系太原理工大学物理系遏止电压遏止电压 和入射光的频率之间具有线性关系和入射光的频率之间具有线性关系,与与入射光强无关。入射光强无关。遏止电势差与频率的关系遏止电势差与频率的关系 为不随金属性质不同而改变的普适恒量为不随金属性质不同而改变的普适恒量（3）遏止频

5、率（又称红限）遏止频率（又称红限）太原理工大学物理系太原理工大学物理系 称为光电效应的红限（遏止频率）称为光电效应的红限（遏止频率）结论结论2：光电子从金属表面逸出时的最大初动能与光电子从金属表面逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系。入射光的频率成线性关系。结论结论3:当入射光的频率小于当入射光的频率小于 时，不管照射光的强时，不管照射光的强度多大，不会产生光电效应。度多大，不会产生光电效应。太原理工大学物理系太原理工大学物理系（4）弛豫时间）弛豫时间 从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光的强度如何，这段时间很短，不超过光的强度如何，这段时间

6、很短，不超过 。结论结论4:4:光电效应是瞬时的。光电效应是瞬时的。二二.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难1)光波的能量与频率无关，电子吸收的能量也与光波的能量与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，更频率无关，更不存在截止频率不存在截止频率！2)光波的能量分布在波面上，电子积累能量需要光波的能量分布在波面上，电子积累能量需要一段时间，光电效应一段时间，光电效应不可能瞬时发生不可能瞬时发生！按照光的经典电磁理论：按照光的经典电磁理论：太原理工大学物理系太原理工大学物理系普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子普朗克把能量量子化的概念只局限

7、于物体内振子普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子的发射或吸收上，并的发射或吸收上，并的发射或吸收上，并的发射或吸收上，并未涉及未涉及未涉及未涉及辐射在空间的辐射在空间的辐射在空间的辐射在空间的传播传播传播传播。相反，当时认为在空间相反，当时认为在空间相反，当时认为在空间相反，当时认为在空间传播传播传播传播的电磁辐射，其的电磁辐射，其的电磁辐射，其的电磁辐射，其能量能量能量能量仍是仍是仍是仍是连续分布连续分布连续分布连续分布的。这显然是的。这显然是的。这显然是的。这显然是不协调不协调不协调不协调的。的。的。的。三、爱因斯坦的光子理论三、爱因斯坦的光子理论三、爱因斯坦的光子理论三、爱因斯坦的

8、光子理论爱因斯坦指出了上述不协调性。爱因斯坦指出了上述不协调性。爱因斯坦指出了上述不协调性。爱因斯坦指出了上述不协调性。1905190519051905年提出了年提出了年提出了年提出了光光光光子假说：子假说：子假说：子假说：(1)(1)(1)(1)光是由光子组成的光是由光子组成的光是由光子组成的光是由光子组成的光子流光子流光子流光子流，光的能量集中于，光的能量集中于，光的能量集中于，光的能量集中于一颗颗的光子上。一颗颗的光子上。一颗颗的光子上。一颗颗的光子上。(2)(2)(2)(2)光子的光子的光子的光子的能量能量能量能量和其和其和其和其频率频率频率频率成成成成正比正比正比正比1.1.1.1.

9、爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说太原理工大学物理系太原理工大学物理系(3)(3)(3)(3)光子具有光子具有光子具有光子具有“整体性整体性整体性整体性”。一个光子只能一个光子只能一个光子只能一个光子只能“整个整个整个整个地地地地”被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。2.2.2.2.对光电效应的解释对光电效应的解释对光电效应的解释对光电效应的解释1)1)1)1)光照射到金属表面时，一个光照射到金属表面时，一个光照射到金属表面时，一个光照射到金属表面时，一个光子光子光子光子的能量可以的能量可以的能量可以的能量可以立即立即立即立即被

10、被被被金属中的金属中的金属中的金属中的自由电子吸收。自由电子吸收。自由电子吸收。自由电子吸收。2)2)2)2)但只有当入射光的频率足够高，以致每个光子但只有当入射光的频率足够高，以致每个光子但只有当入射光的频率足够高，以致每个光子但只有当入射光的频率足够高，以致每个光子的能量的能量的能量的能量 h h h h 足够大时，电子才有可能足够大时，电子才有可能足够大时，电子才有可能足够大时，电子才有可能克服克服克服克服逸出功逸出功逸出功逸出功逸出金属表面。逸出金属表面。逸出金属表面。逸出金属表面。用用表示电子逸出金属表面时克服阻力而做的功，表示电子逸出金属表面时克服阻力而做的功，称为称为逸出功逸出功

11、。太原理工大学物理系太原理工大学物理系3)3)3)3)逸出的电子的逸出的电子的逸出的电子的逸出的电子的最大初动能最大初动能最大初动能最大初动能为为为为4)当当 /h时，电子的能量不足以克服逸时，电子的能量不足以克服逸出功而出功而发生光电效应。存在发生光电效应。存在红限频率红限频率.红限频率红限频率光量子光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！假设解释了光电效应的全部实验规律！太原理工大学物理系太原理工大学物理系几种金属的红限及逸出功几种金属的红限及逸出功钯钯 Pd金金 Au汞汞 Hg钛钛 Ti铯铯 Cs12.111.610.99.92482582753036521.94.14.54.85.0金

12、金 属属红红 限限逸逸 出出 功功(Hz)(nm)c04.8=0（eV)+10140l太原理工大学物理系太原理工大学物理系 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光光电效应电效应”实验，结果在实验，结果在1915年年证实证实了爱因斯坦方程，了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。3.3.光电效应理论的验证光电效应理论的验证数据取自数据取自R.A.Millikan,Physical Review,7,362(1916)太原理工大学物理系太原理工大学物理系4.4.普朗克常数普

13、朗克常数h的测定的测定爱因斯坦方程爱因斯坦方程太原理工大学物理系太原理工大学物理系5.5.多光子光电效应多光子光电效应多光子光电效应多光子光电效应 在爱因斯坦最初研究光电效应时，并没有考虑在爱因斯坦最初研究光电效应时，并没有考虑到多光子吸收（即一个电子吸收两个或两个以上光到多光子吸收（即一个电子吸收两个或两个以上光子）的情况。但在子）的情况。但在激光激光出现后，实验上发现了新的出现后，实验上发现了新的吸收过程，特别对于吸收过程，特别对于双光子双光子吸收的过程，在实验上吸收的过程，在实验上和理论上均取得了许多成果。和理论上均取得了许多成果。1983年年Forkas等人用等人用co2激光器发出波长

14、为激光器发出波长为10.6m的激光为入射光，金作为靶金属，观察到了的激光为入射光，金作为靶金属，观察到了吸收吸收40个等效个等效光子光子的过程。的过程。太原理工大学物理系太原理工大学物理系 光电控制电路、自动报警、自动计数、光电光电控制电路、自动报警、自动计数、光电光电控制电路、自动报警、自动计数、光电光电控制电路、自动报警、自动计数、光电倍增管、鼠标器等等。倍增管、鼠标器等等。倍增管、鼠标器等等。倍增管、鼠标器等等。6.6.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用 利用光电效应中利用光电效应中光电流光电流与与入射光强入射光强成成正比正比的特性的特性,可以制造光电转换器可以制造光电

15、转换器-实现实现光光信号与信号与电电信号之间的相互转换。这些光电转换器信号之间的相互转换。这些光电转换器如光如光电管电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、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。电影、电视和自动控制等诸多方面。太原理工大学物理系太原理工大学物理系光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图原理：原理：当加在发光元件上的当加在发光元件上的信号达到某一定值时，光的信号达到某一定值时，光的作用使光敏器件的阻值发生作用使光敏器件的阻值发生急剧变化，从而起到闭合或急剧变化，从而起到闭合或开断电路的作用。开断电路

16、的作用。太原理工大学物理系太原理工大学物理系光电效应的研究历经三十年，有三人荣获光电效应的研究历经三十年，有三人荣获诺贝诺贝尔物理奖尔物理奖莱纳德莱纳德 发现现象发现现象 1905年年爱因斯坦爱因斯坦 理论解释理论解释 1921年年密立根密立根 实验证实实验证实 1923年年密立根，密立根，美国物理学美国物理学家。研究基本电荷和光家。研究基本电荷和光电效应，特别是通过著电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电名的油滴实验，证明电荷有最小单位。荷有最小单位。太原理工大学物理系太原理工大学物理系四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性1.近代关于光的本性的认识近代关于光的本性的认识 光既具有波动性，又

17、具有粒子性，即光具有光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波波粒二象性。粒二象性。波动性：波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象光是电磁波，有干涉、衍射现象粒子性粒子性：光是光子流，光子具有粒子的一切属：光是光子流，光子具有粒子的一切属性性-质量、能量、动量。质量、能量、动量。有些情况下有些情况下(传播过程传播过程中，能量小中，能量小)波动性突出；波动性突出；有些情况下有些情况下(和物质和物质相互作用相互作用时，能量、动量大时，能量、动量大)粒子性突出。粒子性突出。太原理工大学物理系太原理工大学物理系描述光的描述光的波动性：波动性：波长波长 ，频率，频率 描述光的描述光的粒子性：粒子性：能量能量

18、 E，动量，动量P2.基本关系式基本关系式静质量静质量 动质量动质量 光子动量光子动量 但是，光即不是经典的波，也不是经典的粒子。但是，光即不是经典的波，也不是经典的粒子。光子质量光子质量太原理工大学物理系太原理工大学物理系 光作为电磁波是光作为电磁波是弥弥散散在空间而在空间而连续连续的，光的，光作为粒子在空间中是作为粒子在空间中是集集中中而而分立分立的。如何统一的。如何统一呢呢?两者统一于两者统一于概率波概率波理论。理论。3.波动性和粒子性的统一波动性和粒子性的统一太原理工大学物理系太原理工大学物理系单单缝缝衍衍射射 光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成光子在某处出现的概率和该处光振幅的

19、平方成正比正比,光子数光子数 N I E02光子是分立的，光强分布可以是连续的。光子是分立的，光强分布可以是连续的。光子在某处出现的光子在某处出现的概率概率由光在该处的由光在该处的强度强度决定。决定。光子在某处出现的光子在某处出现的概率大概率大，则该处的，则该处的光强光强I 大大；光子在某处出现的光子在某处出现的概率小概率小，则该处的，则该处的光强光强I 小小；太原理工大学物理系太原理工大学物理系五、康普顿效应五、康普顿效应五、康普顿效应五、康普顿效应康普顿康普顿吴有训吴有训 19231923年年康康普普顿顿（及及中中国国科科学学家家吴吴有有训训）研研究究了了x x射射线线通通过过物物质质时时

20、向向各各方方向向散散射射的的现现象象。进进一一步步证证实了爱因斯坦的光子概念。实了爱因斯坦的光子概念。太原理工大学物理系太原理工大学物理系1.1.实验装置实验装置 康普顿发现康普顿发现,在散射光中除了有与入射光波长在散射光中除了有与入射光波长0 相同的射线之外，同时还出现一种波长相同的射线之外，同时还出现一种波长大于大于0 的的射线射线。这种改变波长的散射称为这种改变波长的散射称为康普顿效应。康普顿效应。太原理工大学物理系太原理工大学物理系1 1）原子质量较小的物质，波长原子质量较小的物质，波长 对应的谱线强对应的谱线强度大，康普顿效应显著；度大，康普顿效应显著；原子质量大的物质原子质量大的物

21、质康康普顿效应较弱。普顿效应较弱。0 49Be2964Cu减小。减小。2.2.实验结果实验结果增大，增大，在同一散射角下，在同一散射角下，随原子序数随原子序数Z增大，增大，太原理工大学物理系太原理工大学物理系吴有训吴有训的康普顿效应散射实验曲线的康普顿效应散射实验曲线太原理工大学物理系太原理工大学物理系2）波长的改变量）波长的改变量 与散射角与散射角 有关，与散射物质和入有关，与散射物质和入射波长无关。射波长无关。（相对强度）（相对强度）（波长）（波长）太原理工大学物理系太原理工大学物理系2.2.2.2.经典理论的解释经典理论的解释经典理论的解释经典理论的解释 根据经典电磁波理论，当电磁波通过

22、物质时，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物质中带电粒子将作受迫振动受迫振动，散射光频率散射光频率 =粒子作受迫振动频率粒子作受迫振动频率=入射光频率入射光频率.光的波动理光的波动理论无法解释康普顿效应。论无法解释康普顿效应。3.3.3.3.光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概念念:一定频率的光子不仅具有确定的能量一定频率的光子不仅具有确定的能量,而且还而且还有确定的动量有确定的动量,即即光子的动量：光子的动量：光子的能量：光

23、子的能量：太原理工大学物理系太原理工大学物理系(1)(1)若光子和若光子和外层电子外层电子相碰撞，光子有一部分能相碰撞，光子有一部分能量传给电子量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光散射光子的能量减少，于是散射光的的波长大于波长大于入射光的波长。入射光的波长。(2)(2)若光子和束缚很紧的若光子和束缚很紧的内层电子内层电子相碰撞，光子相碰撞，光子将与整个原子交换能量将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原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子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，不变，波长不变波长不变。康普顿用光子概念成功地解释了康普顿效康普顿用光子概念

24、成功地解释了康普顿效应应:光子与静止的光子与静止的自由电子自由电子发生弹性碰撞发生弹性碰撞,碰碰撞过程中严格遵守撞过程中严格遵守能量能量、动量守恒动量守恒定律。定律。太原理工大学物理系太原理工大学物理系(3)在在重重原子中，内层电子比轻原子多，而内层原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子电子束缚束缚很很紧紧，所以原子量大的物质，康普顿效，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的应比原子量小的弱弱。(4(4）因为碰撞中交换的能量和碰撞的）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度角度有关，有关，所以波长改变和散射角有关。所以波长改变和散射角有关。X 射线是由一些能量为射线是由一些能量为 =h 的光子组成

25、，并且这的光子组成，并且这些些光子光子与与自由电子自由电子发生发生完全弹性碰撞完全弹性碰撞，在轻原子中，原子核对电子的在轻原子中，原子核对电子的束缚束缚较较弱弱，可以把电，可以把电子看作是子看作是静止静止的自由电子。的自由电子。4.4.康普顿效应的定量分析康普顿效应的定量分析太原理工大学物理系太原理工大学物理系碰撞前：碰撞前：光子能量为光子能量为h o，动量为动量为h o/c；电子的能电子的能量为量为moc2，动量为零。动量为零。碰撞后：碰撞后：光子散射角为光子散射角为，光子能量为光子能量为h，动量为动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它它的能量为的

26、能量为 ，动量为，动量为 。反冲电子反冲电子太原理工大学物理系太原理工大学物理系由由能量守恒能量守恒:由由动量守恒动量守恒:XXeX太原理工大学物理系太原理工大学物理系XX方向动量守恒方向动量守恒Y方向动量守恒方向动量守恒能量守恒能量守恒:太原理工大学物理系太原理工大学物理系最后得到：最后得到：此式说明：此式说明：波长改变与散射物质无关波长改变与散射物质无关,仅决定于散仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。射角；波长改变随散射角增大而增加。电子的电子的康普顿波长。康普顿波长。计算的理论值与实验值符合得很好。计算的理论值与实验值符合得很好。太原理工大学物理系太原理工大学物理系例例 波长为波

27、长为450nm的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上.求求（1 1）这种光的光子能量和动量；这种光的光子能量和动量；（2 2）光电子逸出钠表面时的动能光电子逸出钠表面时的动能(逸出功逸出功2.28ev）；）；（3 3）若光子的能量为若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？，其波长为多少？解解 （1 1）（2 2）（3 3）太原理工大学物理系太原理工大学物理系解（解（1 1）例例 波长波长 的的X射线与静止的射线与静止的自由电子作弹性碰撞自由电子作弹性碰撞,在与入射角成在与入射角成 角的方向上角的方向上观察观察,问问（2 2）反冲电子得到多少动能？反冲电子得到多少动能？（1 1）散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？光子与电子碰撞过程中能量守恒光子与电子碰撞过程中能量守恒太原理工大学物理系太原理工大学物理系反冲电子的动能反冲电子的动能 光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？在碰撞中，光子的能量损失了多少？