光电效应实验思考题.doc

光电效应1. 什么是光电效应答：（1）光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转转成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（2）定义：定义1：物质由于吸收光子而产生电的现象。定义2：物质在光的作用下发射电子或电导率改变，或者两种材料的界面上产生电势的现象。（3）分类：A. 外光电效应：外光电效应是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物。B. 内光电效应：内光电效应是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等。2.光电效应为什么可以测普朗克常数h？ 答：爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为 的光波，每个光子的能量为式中， 为普朗克常数，它的公认值是 =6.626 。 按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程： （1）式中，为入射光的频率， 为电子的质量， 为光电子逸出金属表面的初速度， 为被光线照射的金属材料的逸出功， 为从金属逸出的光电子的最大初动能。 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位 被称为光电效应的截止电压。 显然，有 （2）代入（1）式，即有 （3）由上式可知，若光电子能量 ，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是 ，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而 也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率成正比，将（3）式改写为 （4）上式表明，截止电压 是入射光频率的线性函数，如图2，当入射光的频率时，截止电压 ，没有光电子逸出。图中的直线的斜率 是一个正的常数： （5）由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数 。其中 是电子的电量。3.普朗克常数h的重要性？答：金斯说：虽然h的数值很小，但是我们应承认它是关系到保证宇宙存在的.如果说，h严格地等于零，那么宇宙间的物质能量将会在十亿分之一秒的时间内全部变成为辐射.（1）h -量子力学的基石与灵魂：，如果没有普朗克常数h ，量子力学是无法建立的.无论是海森堡、狄拉克创立的矩阵形式的量子力学，还是德布罗意、薛定谔创立的波动形式的量子力学，普朗克常数都起到了基石与灵魂的作用.（2）h-量子概念的基准：普朗克常数h的量纲是能量时间，这正是作用量的量纲.这说明h是作用的最小单元，因此h也称作“作用量子”.无论是普朗克的能量子，还是爱因斯坦的光量子，最小能量与频率之比总要等于自然常数h.A. h是不确定度的基准B. h是波粒二象性的基准C. h是量子化条件的限度 4.光电效应的理论历史和实验历史。答： 理论历史：光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。 1887年，首先是赫兹在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。 大约1900年，马克思普朗克对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量这一理论。他给这一理论归咎成一个等式，也就是，E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一个常数，统称布兰科（普朗克）常数，而v就是光源的频率。也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布兰科（普朗克）自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。 1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理学奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而就是电子自由后具有的动能。 实验历史：1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套作为接收器。他意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。赫兹的论文紫外线对放电的影响发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。1899年，汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的质合比，获得的值与阴极射线线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外线）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得最大动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。 18991902年，勒纳德对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总结出了光电效应的一些实验规律。根据动能定理：，可计算出发射出电子的能量。可得出： 深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。当时，还有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。 5.还有什么方法测h？答：历史上测量普朗克常量的方法有许多,早期的测量方法概括起来有8种:光电效应法、X射线光电效应法、X射线原子游离法、黑体辐射计算法、电子衍射法、康普顿波长移位法、X