14-2光电效应

1 光电效应是赫兹在1887年发现的1896年汤姆逊发现了电子之后勒纳德证明了光电效应中发出的是电子 15 2光电效应和爱因斯坦的光量子论 光电效应 光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应 产生的电子称为光电子 2 3 一 光电效应的实验规律1 饱和电流2 遏止电压3 红限频率4 驰豫时间为零 对于同一单色光 单位时间内逸出金属表面的光电子数 与入射光强成正比 IH Ne第一定律 4 一 光电效应的实验规律1 饱和电流2 遏止电压3 红限频率4 驰豫时间为零 光电子的初动能随入射光频率的上升而线性地增大 但与入射光强无关 第二定律 5 一 光电效应的实验规律1 饱和电流2 遏止电压3 红限频率4 驰豫时间为零 10 9s 如果入射光的频率低于该金属的红限 则无论入射光强多大 都不会使这种金属产生光电效应 总结实验规律 1 光电流的强度 对于同一单色光 单位时间内逸出金属表面的光电子数 与入射光强成正比 第三定律 6 2 光电子的初动能 光电子的初动能随入射光频率的上升而线性地增大 但与入射光强无关 3 引起光电效应的入射光的频率下限 如果入射光的频率低于该金属的红限 则无论入射光强多大 都不会使这种金属产生光电效应 金属的红限 4 引起光电效应的时间 只要入射光的频率大于该金属的红限 当光照射到这种金属的表面时 几乎立即产生光电子 而无论光强多大 电子逸出的时间间隔不超过10 9s 7 8 二 经典理论遇到的困难 光的波动理论认为 光波的能量决定于光波的强度 而光波的强度与其振幅的平方成正比 所以 入射光的强度越高 金属内自由电子获得的能量就越大 光电子的初动能也应该越大 但实验表明 光电子的初动能与入射光强无关 根据光的波动理论 如果入射光的频率较低 总可以用增大振幅的方法使入射光达到足够的能量 以便使自由电子获得足以逸出金属表面的能量 所以 不应该存在入射光的频率限制 与实验结果相矛盾 从光的波动理论观点看 产生光电子应该有一定的时间间隔 而不应该是瞬时的 因为自由电子从入射光那里获得能量需要一个积累的过程 特别是当入射光的强度较弱时 积累能量需要的时间较长 实验结果光电子的产生是瞬时的 9 实验规律 1 饱和电流2 遏止电压3 红限频率4 驰豫时间为零 经典电磁理论 光波的能量与振幅的平方成正比 与频率无关 更不存在截止频率 打出电子只需克服逸出功电子积累能量需要时间 不可能瞬时发生 二 经典波动理论所遇到的困难 10 光量子具有 整体性 光的发射 传播 吸收都是量子化的 电磁辐射由以光速运动的局限于空间某一小范围的光量子 光子 组成 h 1 爱因斯坦光量子假设 1905年 三 爱因斯坦的光量子论 11 光强单位时间打到单位面积上的粒子总能量I Nh N粒子流密度光强不变 即I Nh 不变若 则N 一个光子只能整个地被电子吸收 12 2 对光电效应的解释一个光子将全部能量交给一个电子电子克服金属对它的束缚从金属中逸出 A 逸出功 光电效应方程 当 A h时不发生光电效应 红限频率 13 I 光子数N 打出光电子多 im 光子打出光电子是瞬时发生的 光量子假设解释了光电效应的全部实验规律 在确定的光强下I Nh 打出的最多电子数就是N饱和电流 遏止电压与最大动能 14 1916年密立根实验 h 6 57 10 34Js 证实了爱因斯坦理论 15 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 16 普朗克是该杂志的主编 他对爱因斯坦的工作给予了高度的评价 在普朗克获博士学位五十周年纪念会上普朗克向爱因斯坦颁发普朗克奖章 17 四 光子的性质 能量 质量 但光子静止质量m0 0 动量 角动量 在运动方向上 18 五 光的波粒二象性 1 近代认为光具有波粒二象性 2 基本关系式 粒子性 能量 动量P数量N 波动性 波长 频率 振幅E0 一些情况下突出显示波动性一些情况下突出显示粒子性 不是经典的波不是经典的粒子 19 式中 波矢量 20 3 波动性和粒子性的统一 光作为电磁波是弥散在空间而连续的 光作为粒子在空间中是集中而分立的 波动性 某处明亮则某处光强大即I大 怎样统一 光子数N I E02 粒子性 某处明亮则某处光子多即N大 21 光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定 I大光子出现概率大 I小光子出现概率小 统一于概率波理论 光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比 光子数N I E02 22 总结 光电效应 一 光电效应的实验规律 金属中的自由电子在光的照射下 吸收光能而逸出金属表面 这种现象称为光电效应 在光电效应中逸出金属表面的电子称为光电子 光电子在电场的作用下运动所提供的电流 称为光电流 光电效应有如下规律 1 光电流的强度 对于同一单色光 单位时间内逸出金属表面的光电子数 与入射光强成正比 23 2 光电子的初动能 光电子的初动能随入射光频率的上升而线性地增大 但与入射光强无关 3 引起光电效应的入射光的频率下限 如果入射光的频率低于该金属的红限 则无论入射光强多大 都不会使这种金属产生光电效应 金属的红限 4 引起光电效应的时间 只要入射光的频率大于该金属的红限 当光照射到这种金属的表面时 几乎立即产生光电子 而无论光强多大 电子逸出的时间间隔不超过10 9s 24 二 经典理论遇到的困难 光的波动理论认为 光波的能量决定于光波的强度 而光波的强度与其振幅的平方成正比 所以 入射光的强度越高 金属内自由电子获得的能量就越大 光电子的初动能也应该越大 但实验表明 光电子的初动能与入射光强无关 根据光的波动理论 如果入射光的频率较低 总可以用增大振幅的方法使入射光达到足够的能量 以便使自由电子获得足以逸出金属表面的能量 所以 不应该存在入射光的频率限制 与实验结果相矛盾 从光的波动理论观点看 产生光电子应该有一定的时间间隔 而不应该是瞬时的 因为自由电子从入射光那里获得能量需要一个积累的过程 特别是当入射光的强度较弱时 积累能量需要的时间较长 实验结果光电子的产生是瞬时的 25 三 爱因斯坦的光子论及其对光电效应的解释 光子假说 光是一粒一粒以光速运动的粒子流 这种粒子流称为光子 或光量子 每一个光子的能量由光的频率所决定 频率为 的光子的能量为 h 光子在运动时具有的质量 能量和动量为 其中 电子从入射光中吸收一个光子后 能量变为h 能量一部分消耗于逸出金属表面时所必须的逸出功A 另一部分转变为光电子的初动能 由能量守恒得 光电效应的爱因斯坦方程 26 光子的频率为截止频率 0时 光电子刚好逸出金属表面 电子初动能为零 由爱因斯坦方程有 光子的频率小于截止频率 0时 光电子不能逸出金属表面 只要光子的频率满足 0 电子就会立即逸出金属表面 是 瞬时的 当入射光强度大时 单位时间内电子吸收的光子数就多 光电流就大 光电流与入射光强度成正比 光电效应显示了光的微粒特性 光子与电子相互作用时 电子吸收了光子的全部能量 光子也是构成物质的一种微观粒子 27 爱因斯坦方程不仅圆满地解释了光电效应的实验规律 而且还给出了常量K和V0的数值 例1 分别计算波长为400nm的紫光和波长为10 0pm的X射线的光子的质量 解 紫光光子的质量为 X射线光子的质量为 28 例2 用波长为400nm的紫光去照射某种金属 观察到光电效应 同时测得遏止电势差为1 24V 试求该金属的红限和逸出功 解 由爱因斯坦方程 得 等号两边同除以普朗克常量h 得 等号左边等于红限 0 所以 因为 所以 29 代入数值 得 根据逸出功A与红限 0的关系 可求得逸出功 30 例题3波长 4 0 10 7m的单色光照射到金属铯上 求铯所释放的光电子最大初速度 利用关系 代入已知数据 解 铯原子红限频率 4 8 1014Hz 据爱因斯坦光电效应方程 光电子最大初动能 31 解 1 按照经典电磁理论 照射到离光源d处的圆面积内的功率是 例题4设有一功率P 1W的点光源 d 3m处有一钾薄片 假定钾薄片中的电子可以在半径r 0 5 10 10m的圆面积范围内收集能量 已知钾的逸出功为A 1 8eV 1 按照经典电磁理论 计算电子从照射到逸出需要多长时间 2 如果光源发出波长为的单色光 根据光子理论 求每单位时间打到钾片单位面积上有多少光子 假定这些能量全部被电子所吸收 那么可以计算出光开始照射到电子逸出表面所需的时间为 32 2 按照光子理论 波长为589