高中物理光电效应 光子课件人教版第三册.ppt

光电效应光电效应是1887年赫兹在证明麦克斯韦的电磁波预言实验时偶然发现的现象 他发现当用紫外光照射放电电极时 放电强度增加 这种效应表示有电子从被照射表面上发射出来 一年之后 哈耳瓦克斯在照射某些金属 诸如锌 钾 钠 的表面时 观察到电子发射 光电效应 电子从受辐射作用的材料中释放出来的过程 叫做光电效应 发射出来的电子叫做光电子 一 光电效应的实验结果 1 无论光强如何微弱 从光照射到光电子出现不超过10 9s 即光电效应几乎无需响应时间 2 光的频率 和端电压v一定时 光电流i与光强i成正比 也就是说 在光照下从阴极飞出的光电子数ne与光强i成正比 一 光电效应的实验结果 3 光的频率 和强度i一定时 a 饱和电流is与光强i成正比 b 存在一个使光电流减小到零的反间截止电压va 它与光强无关 即光电子最大动能为 ek max eva 4 光电流的反向截止电压va与光的频率 成线性关系 即 va k vo式中 k与金属无关 是普适恒量 vo与金属有关 同一金属为恒量 ek max eva va k vo ek max ek evo因此 光电子的最大动能随入射光的频率线性地增加 而与入射光的强度无关 因为ek max 0 可见要使受光照射的物体释出电子 入射光的频率必须满足 vo k o vo k称为光电效应的截止频率或红限 与阴极材料有关 与光强无关 当频率 o时 不管入射光的强度多大都不会产生光电子 几种金属的红限及逸出功 钯pd 金au 汞hg 钛ti 铯cs 12 1 11 6 10 9 9 9 2480 2580 2750 3030 6520 1 9 4 1 4 5 4 8 5 0 金属 红限 逸出功 hz a c 0 4 8 0 ev 10 14 0 0 二 光的波动说的缺陷 1 按照光的波动说 金属在光的照射下 金属中的电子受到入射光e振动的作用而作受迫振动 逸出时的动能 即光电子的最大动能 应决定于光振动的振幅 强度 无法解释实验结果 4 2 根据波动说 如果光强足够供应从金属释出电子所需要的能量 那末光电效应对各种频率的光应该都会发生 无法解释红限的存在 3 按照光的波动说 金属中的电子从入射光波中吸收能量时 必须积累到一定的量值 至少等于逸出功 才能释出电子 显然入射光愈弱时 能量积累的时间 从照射到释出电子的时间 就应愈长 无法解释光电效应几乎无需响应时间 三 光电效应的量子解释1 爱因斯坦光子假说 1 一束光是一粒一粒以光速c运动的粒子流 这些光粒子称为光量子 光子 每一光子的能量为 h 2 光的能流密度s 光强i 决定于单位时间内通过单位面积的光子数n 即 i s nh 2 光电效应的光子学说 1 当金属中的自由电子 从入射光中吸收一个光子的能量h 时 一部分消耗于电子从金属表面逸出时所需的最小能量 即逸出功a 另一部分转换为光电子的最大动能ek max 按照能量守恒定律 得 h ek max a 此方程称为爱因斯坦光电效应方程 简称爱因斯坦方程 该方程成功地解释了光电子的最大动能与入射光频率之间的线性关系 h ke o a ke a h a evo 爱因斯坦方程可说明 a 普朗克恒量h与光电效应中的普适恒量k之间有一定关系 h kee的量值为已知 k的量值可由光电效应的实验确定 因而利用这一关系可测定普朗克普适恒量h 所测定的h值 可与用其他方法所测定的h值加以比较 进一步确认爱因斯坦方程的正确性 b 光电效应中应当有红限的存在 如果电子所吸收的能量小于逸出功 显然就不能产生光电效应 实验公式中的vo也就是电子的逸出电势 2 入射光的强度增加时 光子数也增多 因而单位时间内释出的光电子数目也将随之增加 这也很自然地说明了饱和电流或光电子数与光的强度之间的正比关系 3 按照光子假说 当光照射金属时 一个光子的全部能量将一次地被一个电子所吸收 不需要积累能量的时间 这很自然地说明了光电效应的瞬时性的时间问题 普朗克因为发现能量子获1918年诺贝尔物理学奖 爱因斯坦则因为根据普朗克能量子假设和光量子观点发现光电效应定律 获得1921年诺贝尔物理学奖 例 试求用波长 的光照射在铯的感光片上时 铯所放出的光电子速度vmax和反向截止电压va 设铯红限为 o 解 爱因斯坦方程 mvmax2 2 h avmax 2 h a m 1 2 2 hc hc o m 1 2 va mvmax2 2 e h a e hc 1 1 o e 例 当 1 589 3nm光照射某一光电池时 为了遏止所有电子到达阳极 需要0 30v的负电势 如果用 2 400 0nm光照射该光电池时 求反向截止电压va2 解 因为 va hc 1 1 o e 所以 va2 va1 hc 1 2 1 1 e故 va2 va1 hc 1 2 1 1 e 1 30v 例11 3光电管的阴极用逸出功a 2 2ev的金属制成 今用一单色光照射此光电管 阴极发射出光电子 测得反向截止电压为va 5 0v 试求 1 光电管阴极金属的光电效应红限波长 o 2 入射光波长 解 1 因为a h o hc o 所以红限波长 o为 o hc a 6 63 10 34 3 108 2 2 1 6 10 19 5 65 10 7m 0 565 2 根据爱因斯坦方程 h e