第二光電效應(yīng)和愛(ài)因斯坦的光量子論精選課件

1、第二節(jié) 光電效應(yīng)和愛(ài)因斯坦的光量子論光電效應(yīng)是赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)的. 1896年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后,勒納德證明了光電效應(yīng)中發(fā)出的是電子光電效應(yīng):光照射某些金屬時(shí)能從表面釋放出電子的效應(yīng)產(chǎn)生的電子稱為光電子伏安特性曲線一. 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律飽和電流 iS 遏止電壓 Ua iS 光電子數(shù)I （I, v)AKUiS3iS1iS2I1I2I3UaUiI1I2I3Ua0光電子最大初動(dòng)能和 成線性關(guān)系截止頻率 0即時(shí)發(fā)射遲滯時(shí)間不超過(guò) 10-9 秒遏止電壓與頻率關(guān)系曲線和v 成線性關(guān)系i二. 經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾 電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，直到獲得足夠能量(與 光強(qiáng) I 有關(guān)) 逸出，不應(yīng)存

2、在紅限 0 。當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子要逸出，必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。 只有光的頻率 0 時(shí)，電子才會(huì)逸出。 逸出光電子的多少取決于光強(qiáng) I 。 光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過(guò) 109 秒?？偨Y(jié) 光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。 光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率 無(wú)關(guān)。 光量子具有“整體性” 光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的 電磁輻射由以光速運(yùn)動(dòng)的局限于空間某一小范圍的光量子（光子）組成 = h1.愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)(1905年)三、愛(ài)因斯坦的光量子論光強(qiáng) 單位時(shí)間打到單位面積上的粒子總能量 I = N h N 粒子流密度 光強(qiáng)不變：即 I = N h 不變 若 則 N 一個(gè)光子只能整

3、個(gè)地被電子吸收2. 對(duì)光電效應(yīng)的解釋光是光子流 ，每一光子能量為 h ，電子吸收一個(gè)光子A 為逸出功光強(qiáng) I = Nh . I 越強(qiáng) , 到陰極的光子越多, 則逸出的光電子 越多。 電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。 光頻率 A/h 時(shí)，電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功 A 逸出。討論 光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。 1916年密立根實(shí)驗(yàn) h = 6.5710-34 Js證實(shí)了愛(ài)因斯坦理論4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和

4、光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光子動(dòng)量四. 光的波粒二象性光子能量光子質(zhì)量光子靜止質(zhì)量 m0 = 0 五、光的波粒二象性1.近代認(rèn)為光具有波粒二象性 一些情況下 突出顯示波動(dòng)性 一些情況下 突出顯示粒子性粒子性波動(dòng)性2. 基本關(guān)系式粒子性：能量 動(dòng)量P 數(shù)量N波動(dòng)性：波長(zhǎng) 頻率 振幅E0式中波矢量3. 波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的光作為粒子在空間中是集中而分立的波動(dòng)性:某處明亮則某處光強(qiáng)大 即 I 大怎樣統(tǒng)一 ?光子數(shù) N I E02粒子性:某處明亮則某處光子多 即N大光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定I 大

5、 光子出現(xiàn)概率大I小 光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于概率波理論單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比紅外變像管紅外輻射圖像可見光圖像像增強(qiáng)器微弱光學(xué)圖像 高亮度可見光學(xué)圖像測(cè)量波長(zhǎng)在 2001200 nm 極微弱光的功率光電倍增管六. 光電效應(yīng)的應(yīng)用 光電成像器件能將可見或不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)成為可觀察記錄、傳輸、儲(chǔ)存的圖像。光控繼電器、自動(dòng)控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警等.放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖例題當(dāng)鈉光燈的黃光照射某一光電池時(shí)，為了遏止所有電子達(dá)到陽(yáng)極，需要0.3v的負(fù)電勢(shì)，如果用波長(zhǎng)的光照射這個(gè)光電池，問(wèn)遏止電子需加入多大電動(dòng)勢(shì)？解：由愛(ài)因斯坦方程遏止電壓Ua，兩式相減例

6、題一共軸系統(tǒng)的橫截面如圖所示，外面為石英圓筒，內(nèi)壁敷上半透明的鋁薄膜，內(nèi)徑r2=1cm，長(zhǎng)20cm，中間為一圓柱形鈉棒，半徑r1=0.6cm，長(zhǎng)亦為20cm，整個(gè)系統(tǒng)置于真空中，今用波長(zhǎng)3000埃的單色光照射系統(tǒng)，忽略邊緣效應(yīng)，求平衡時(shí)鈉棒所帶的電量，已知鈉的紅限波長(zhǎng)為m5400埃，鋁的紅限波長(zhǎng)為m2960埃(電子電量-e=1.610-19c，普朗克常量h=6.6310-34Js，真空介電常數(shù)0=8.8510-12Fm-1)石英半透明鋁膜鈉棒紅限波長(zhǎng)已知入射光波長(zhǎng)對(duì)鋁: 紅限波長(zhǎng)對(duì)鈉: 紅限波長(zhǎng)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)能產(chǎn)生光電效應(yīng)解鈉在光照下,發(fā)射光電子,它們的最大初動(dòng)能這些光電子聚集在鋁膜上,使鈉

7、棒和鋁膜分別帶上正負(fù)電荷Q,當(dāng)它們之間電勢(shì)差達(dá)到時(shí),系統(tǒng)達(dá)到平衡.由高斯定理,忽略邊緣效應(yīng),可求出鈉棒與鋁膜間的電場(chǎng)由上面方程可得 例 設(shè)有一半徑為 的薄圓片，它距光源1.0m . 此光源的功率為1W，發(fā)射波長(zhǎng)為589nm的單色光 . 假定光源向各個(gè)方向發(fā)射的能量是相同的，試計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù) .解例題以一定頻率的單色光照射在某金屬上測(cè)出其光電流的曲線如圖實(shí)線所示，然后在光強(qiáng)度不變的條件下增大照射光的頻率，測(cè)出其光電流的曲線如圖中虛線所示，滿足題意的圖是：( )ooo(D)答案：(D)uI(B)uI(C)ouIuI(A)(1)、 ，若I不變，當(dāng) 大，則N小，所以逸出的光電子數(shù)也就小Is小(Is：光電流飽和值)(2)、且 大遏止電壓大(因?yàn)楣怆娮拥淖畲蟪鮿?dòng)能也大)在均