大学物理光电效应.ppt

当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。,15-2光电效应爱因斯坦的光量子理论,一、光电效应,石英窗,光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。,光电子在电场作用下形成光电流。,1.光电效应实验,二、光电效应的实验,将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。,当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Ue时，光电流恰为0。Ue称遏止电压。,遏止电压Ue,IH,光强较强,光强较弱,IH,2.光电效应的实验结果,遏止电压,饱和电流,(1)光电流与光强的关系,饱和光电流强度与入射光强度成正比。,(2)存在截止频率c-极限（红限）频率,对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c,当入射光频率c时，电子才能逸出金属表面,当入射光频率c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,从光开始照射到光电逸出所需时间A时才能产生光电效应。,光子打出光电子是瞬时发生的。,爱因斯坦方程,光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！,例题,波长为4000的单色光照射在逸出功为2.0的金属材料上，求：光电子的初动能，截止电压，红限频率,截止电压,红限频率,2.光的波粒二象性,光子,相对论能量和动量关系,（2）粒子性：（光电效应等）,（1）波动性：光的干涉和衍射,光子质量m=h/c2,由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。,3.光电效应理论的验证,美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。,爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖,。,密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖,。,康普顿(1891-1962)(ArthurHollyCompton)美国著名的物理学家、“康普顿效应”的发现者。1920年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任，1923年起任芝加哥大学物理系教授，1927年度诺贝尔物理学奖,15-3康普顿效应,1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，把这种现象称为“康普顿效应”,一、康普顿效应,二.康普顿散射的实验装置,晶体,光阑,探测器,0,散射波长,(1)散射光中除有与入射线波长相同的，还有比入射线波长大的波长,称为电子的Compton波长,波长的偏移只与散射角有关，与散射物质的性质无关。,c=0.0241=2.4110-3nm（实验值）,实验结果,1.康普顿效应的主要特点是(A)散射光的波长均比入射光的波长短，且随散射角增大而减小，但与散射体的性质无关(B)散射光的波长均与入射光的波长相同，与散射角、散射体性质无关(C)散射光中既有与入射光波长相同的，也有比入射光波长长的和比入射光波长短的.这与散射体性质有关(D)散射光中有些波长比入射光的波长长，且随散射角增大而增大，有些散射光波长与入射光波长相同这都与散射体的性质无关,答案D,三、经典电磁理论的困难,射光频率应等于入射光频率。,其频率等于入射光频率，所以它所发射的散,过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，,根据经典电磁波理论，当电磁波通,X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞,碰撞过程中能量与动量守恒,四、康普顿效应的理论解释,碰撞光子把部分能量传给电子光子的能量散射X射线的频率，波长,波长1的X射线：,光子,外层电子束缚能,室温下kT10-2eV，,所以外层电子近似可看成是静止的。,e,自由电子(静止),m0,h,光子:,能量动量,碰撞前,碰撞后,能量动量,电子:,能量守恒:h0+m0c2=h+mc2,动量守恒:,0,解得,=0.0243=2.4310-3nm（理论值）,c=0.0241=2.4110-3nm（实验值）,散射线中还有与原波长相同的射线,光子还可与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞,相当于光子和整个原子碰撞,在弹性碰撞中散射光子的能量(波长)几乎不改变,五、康普顿散射实验的意义,支持了“光量子”概念，进一步证实了,首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设：,证实了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖。,P=E/c=h/c=h/,=h,19251926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，,吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.,对证实康普顿效应作出了重要贡献。,在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。,中国近代物理学奠基人教育家,中国近代物理学奠基人，科学家，教育家，1920年毕业于南京高等师范学校（今南京大学）。1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，1926年获博士学位。1926年秋回国，先后在江西大学和中央大学（今南京大学）任教，1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长（包括1938年以后在西南联合大学的8年）。1945年10月任中央大学校长。1948年底任交通大学教授。1949年任校务委员会主任。1950年夏任中国科学院近代理研究所所长，同年12月起任中国科学院副院长，。1949年秋-1952年秋，任交通大学（暨西安交大与上海交大前身）校长。,光与物质的相互作用时可能会发生若干种不同的效应：有光电效应，康普顿效应，它们是不同能量的光子与物质中的原子、电子、原子核相互作用的结果。各种现象发生的概率与入射光子的能量有密切关系：入射光子能量较低（可见光到紫外光），以光电效应为主；入射光子能量中等（X射线到射线），以康普顿效应为主；入射光子能量较高，可以与原子核发生作用,例:设有波长为=1.0010-10m的X射线的光子与自由电子作弹性碰撞.