大學物理2光電效應

1、 1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應，年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應，1905年年愛因斯坦用光量子理論解釋了光電效應。愛因斯坦用光量子理論解釋了光電效應。 當光線照射在金屬表面時，金屬中有當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出，逸出的電子稱為光電子。電子逸出，逸出的電子稱為光電子。如帶電小鋅球在紫外線照射下會失去負如帶電小鋅球在紫外線照射下會失去負電荷帶上正電。電荷帶上正電。 由于金屬表面的電子吸收外界的光子，由于金屬表面的電子吸收外界的光子， 克服金屬的束縛而逸出金屬表面的現(xiàn)象?？朔饘俚氖`而逸出金屬表面的現(xiàn)象。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 由于半導體表面的電子吸收外界的光由于半

2、導體表面的電子吸收外界的光子，子， 使其導電性能增強的現(xiàn)象。使其導電性能增強的現(xiàn)象。 普朗克的量子假說當時并未引起人們普朗克的量子假說當時并未引起人們的廣泛重視，人們把他的黑體輻射公式只的廣泛重視，人們把他的黑體輻射公式只看成一個與實驗符合最好的經(jīng)驗或半經(jīng)驗看成一個與實驗符合最好的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式，但是愛因斯坦卻看到了量子假說的公式，但是愛因斯坦卻看到了量子假說的重要性。光電效應用經(jīng)典的光的波動論是重要性。光電效應用經(jīng)典的光的波動論是沒辦法解釋的，只有用量子論才能解釋。沒辦法解釋的，只有用量子論才能解釋。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 一、實驗規(guī)律一、實驗規(guī)律 金

3、金AKGV陽極陽極陰極陰極W石英窗石英窗 光線經(jīng)石英窗照光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子在陰極上，便有電子逸出逸出-光電子。光電子。光電子在電場作用下光電子在電場作用下形成光電流。形成光電流。將換向開關反接，電將換向開關反接，電場反向，則光電子離場反向，則光電子離開陰極后將受反向電開陰極后將受反向電場阻礙作用。場阻礙作用。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 一、實驗規(guī)律一、實驗規(guī)律 AGVK陽極陽極陰極陰極W石英窗石英窗 當當 K、A 間加反間加反向電壓，光電子克服向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓電場力作功，當電壓達到某一值達到某一值 U0 時，時，光電流恰為光電

4、流恰為 0。光電子動能轉(zhuǎn)換成電光電子動能轉(zhuǎn)換成電勢能勢能2max21mvEk|0Ue2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 一、實驗規(guī)律一、實驗規(guī)律 . .光電流與光強的關系光電流與光強的關系 不變不變1mI2mI0UIoUIoU光強不變光強不變大小光強大光強小2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 一、實驗規(guī)律一、實驗規(guī)律 播放動畫播放動畫2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 一、實驗規(guī)律一、實驗規(guī)律 金金. .截止頻率截止頻率0 -紅限紅限當入射光頻率當入射光頻率 0 時，電子才能逸出金時，電子才能逸出金屬表面；屬表面；當

5、入射光頻率當入射光頻率 0 時，時，0kECs0K0Cu0|0Uo與光強無關。與光強無關。|0U光電子初動能光電子初動能反向遏止電壓反向遏止電壓2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 一、實驗規(guī)律一、實驗規(guī)律 . .當當 0 時，光時，光電流正比于光強。電流正比于光強。o光電流光電流I入射光強入射光強. .當當 0時，光電效時，光電效應是瞬時的，時間應是瞬時的，時間 0 時，電子才能逸出金時，電子才能逸出金屬表面，產(chǎn)生光電效應。屬表面，產(chǎn)生光電效應。不同金屬具有不同的截止頻率。不同金屬具有不同的截止頻率。3. .光電流正比于光強的解釋光電流正比于光強的解釋 光強正比于單位

6、時間流過單位面積光強正比于單位時間流過單位面積 的的光子數(shù)。光強越大，光子數(shù)越多。光子數(shù)。光強越大，光子數(shù)越多。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 四、愛因斯坦方程四、愛因斯坦方程 金屬內(nèi)電子吸收一個光子可以釋放一個光金屬內(nèi)電子吸收一個光子可以釋放一個光電子。光強越大，光電子越多，光電流越電子。光強越大，光電子越多，光電流越大。大。4. .光電效應瞬時性的解釋光電效應瞬時性的解釋 電子吸收光子時間很短，只要光子頻電子吸收光子時間很短，只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無需積累能量的時間，與光強無關。表面，無需積累能

7、量的時間，與光強無關。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。因為它完全違背了光的波動理論。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 四、愛因斯坦方程四、愛因斯坦方程 就連量子物理創(chuàng)始人普朗克也認為太過分就連量子物理創(chuàng)始人普朗克也認為太過分了。他在了。他在1907年給愛因斯坦的信中寫到：年給愛因斯坦的信中寫到：“ “我為基本量子（光量我為基本量子（光量子）所尋找的不是它在子）所尋找的不是它在真空中的意義，而是它真空中的意義，而是它在吸收和發(fā)射地方的

8、意在吸收和發(fā)射地方的意義，并且我認為真空中義，并且我認為真空中過程已由麥克斯韋方程過程已由麥克斯韋方程作了精辟的描述作了精辟的描述”。直。直到到1913年他還對光子持年他還對光子持否定態(tài)度。否定態(tài)度。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 四、愛因斯坦方程四、愛因斯坦方程 例例1：鉑的逸出功為鉑的逸出功為6.3eV，求鉑的截止頻，求鉑的截止頻率率0 。解：解：hW0J106 .1eV11934190106 .6106 .13 .6Hz106 .9142.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 四、愛因斯坦方程四、愛因斯坦方程 例例2：鉀的截止頻率鉀的截止

9、頻率0 =4.621014Hz，以，以波長波長=435.8nm的光照射，求鉀放出光電的光照射，求鉀放出光電子的初速度。子的初速度。解：解：WEk00221hmvh02cmhvem/s149831341062.4108 .4351031011.9106 .6251072.52.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 四、愛因斯坦方程四、愛因斯坦方程 美國物理學家密立根，花了十年時間美國物理學家密立根，花了十年時間做了做了“光電效應光電效應”實驗，結(jié)果在實驗，結(jié)果在1915年證年證實了愛因斯坦方程，實了愛因斯坦方程，h 的值與理論值完全的值與理論值完全一致，又一次證明了一致，又一

10、次證明了“光量子光量子”理論的正理論的正確。確。由相對論光子的質(zhì)能關系由相對論光子的質(zhì)能關系2mch光子的質(zhì)量光子的質(zhì)量2/cm2/ch2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 五、光子的五、光子的 E E、P P 由相對論質(zhì)速關系由相對論質(zhì)速關系20)/(1cvmm00mm有有否則否則光子的能量就是它的動能。光子的能量就是它的動能。mcPcch2chchc由實驗測出光壓，說明光子是有動量的。由實驗測出光壓，說明光子是有動量的。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 五、光子的五、光子的 E E、P P 光在傳播過程中表現(xiàn)出波動性，如干光在傳播過程中表

11、現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。涉、衍射、偏振現(xiàn)象。 光在與物質(zhì)發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，光在與物質(zhì)發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，如光電效應，康普頓效應。如光電效應，康普頓效應。 光具有波動性，又有粒子性，即波粒光具有波動性，又有粒子性，即波粒二象性。二象性。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 二、波粒二象性二、波粒二象性 光子能量和動量為光子能量和動量為hchPh上兩式左邊是描寫粒子性的上兩式左邊是描寫粒子性的 、P；右邊是描寫波動性的右邊是描寫波動性的 、。h 將光的粒子性與波動性聯(lián)系起來。將光的粒子性與波動性聯(lián)系起來。2.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二

12、象性 / / 二、波粒二象性二、波粒二象性 例：例：求波長為求波長為20 nm 紫外線光子的能量、紫外線光子的能量、動量及質(zhì)量。動量及質(zhì)量。解：解：hJ1095.919983410201031063.6hc能量能量動量動量hP93410201063.6kgm/s103 .3262.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 二、波粒二象性二、波粒二象性 質(zhì)量質(zhì)量2cmkg1011.1352819)103(1095.92.2.光電效應光的波粒二象性光電效應光的波粒二象性 / / 二、波粒二象性二、波粒二象性 放大器放大器控制機構(gòu)控制機構(gòu) 可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。報警、自動跟蹤等