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光电效应 第二节 引言1887年赫兹首先发现了光电效应 什么是光电效应 photoelectriceffect 当光线照射在金属表面时 金属中有电子逸出的现象 逸出的电子称为光电子 photoelectron 如带电小锌球在紫外线照射下会失去负电荷带上正电 1905年爱因斯坦用光量子理论解释了光电效应 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 photocurrent 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 1 实验装置 一 光电效应的实验规律 2 光电效应四大实验规律 饱和光电流与入射光强度成正比 不变 电流饱和值 光强 入射光频率一定时 饱和光电流与入射光光强成正比 但反向截止电压与入射光光强无关 存在反向遏止电压Ua 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Ua时 光电流恰为0 光电子动能转换成电势能 遏止电压 遏止电势差与入射光频率具有线性关系 与光强无关 遏制电势差 反映光电子的初动能 经典理论认为光电子的初动能应决定于入射光的光强 而不决定于光的频率 照射光频率 存在截止 红限 频率 0 当入射光频率 0时 与光强无关 光电子初动能 反向遏止电压 截止频率 红限 几种纯金属的截止频率 仅当才发生光电效应 截止频率与材料有关与光强无关 入射光频率小于截止频率时无论光强多大都不能产生光电效应 每种金属有自己的截止频率 瞬时性 当 0时 光电效应是瞬时的 时间 10 9s 当入射光频率 0时 电子才能逸出金属表面 当入射光频率 0时 无论光强多大也无电子逸出金属表面 瞬时性 当光照射到金属表面上时 几乎立即就有光电子逸出 驰豫时间不超过10 9s 而不管光强如何 经典理论不能解释 经典理论认为能量的积累总有一个过程 二 光的波动说的缺陷 1 光电子初态动能只与光频率 成正比 而与入射光强无关无法解释 2 截止频率无法解释 3 光电效应的瞬时性无法解释 1 光量子 光子 假设 频率为 的光是由大量能量为 h 的光子 photon 组成的粒子流 这些光子沿光的传播方向以光速c运动 越高光子能量越大 光子能量与光强无关 一定时 光强越大 光子数越多 三 光量子理论与Einstein方程 2 爱因斯坦方程 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的全部能量 一部分消耗在电子逸出功W 另一部分变为光电子的动能Ek0 对光电效应的解释 可知 初动能及反向遏止电压与 成正比 而与光强无关 由 的解释 截止频率 0 红限 的解释 当入射光频率 0时 电子才能逸出金属表面 产生光电效应 不同金属具有不同的截止频率 光电流正比于光强的解释 光强正比于单位时间流过单位面积的光子数 光强越大 光子数越多 金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子 光强越大 光电子越多 光电流越大 光电效应瞬时性的解释 思考 电子吸收光子时间很短 只要光子频率大于截止频率 电子就能立即逸出金属表面 无需积累能量的时间 与光强无关 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应 但当时并未被物理学家们广泛承认 因为它完全违背了光的波动理论 3 光量子论的实验验证 1916年 美 密立根实验 1923年 美 康普顿效应 Comptoneffect 因此Einstein获1921年Nobelprize物理学奖 爱因斯坦在科学上的主要成就有5个方面 解决了液体中悬浮粒子运动即布朗运动的理论问题 提出测定分子真实大小的新方法 这一理论提出不久就为实验所证实 致使原子论的主要反对者F W 奥斯特瓦尔德公开承认原子的存在 从而平息了由实证论者挑起的历时半个世纪的关于原子存在问题的争论 发展了量子理论 爱因斯坦所提出的光量子理论 首次揭示出微观客体最本质的特征在于波 粒二象性 他建立的受激辐射理论为20世纪60年代出现的激光技术准备了理论基础 他对量子理论的研究促进了波动力学的建立 发展了量子统计理论 创建狭义相对论 这一理论揭示了空间和时间 物质和运动的统一 否定了I 牛顿的绝对空间和绝对时间概念 是一个既适用于宏观 低速 又适用于微观 高速的运动理论 他还由此发现了质量和能量的相当性 为40年代开始的原子能技术开辟了道路 创立广义相对论 揭示了空间 时间 物质 运动的统一性 几何学和物理学的统一性 并发现空间的结构和性质取决于物质的质量及其分布 该理论关于光线经过太阳引力场会发生弯曲的预言于1919年得到证实 开创了现代宇宙学 他所提出的宇宙有限无界的假说 由后人发展成为宇宙膨胀理论和大爆炸宇宙学 深刻地改变了传统的宇宙观 20年代以后 爱因斯坦把主要精力用于探索统一场论 试图把引力场和电磁场 相对论和量子论统一起来 但终未成功 70年代以后 由于弱相互作用和电磁相互作用统一理论的可喜进展 使统一场论的思想为物理学未来的发展提供了一个大有希望的前景 他的科学成就使他成为物理学革命的伟大先驱 并对哲学产生了深远影响 1 光电倍增管 可对微弱光线进行放大 可使光电流