-2光电效应爱因斯坦的光量子1论ppt课件

1、太原理工大学物理系太原理工大学物理系16-2 16-2 光电效应光电效应 爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论P200,P200,一下一下3 3，4 4行行 早在早在18871887年年, ,德国物理学家赫兹第一个观察到德国物理学家赫兹第一个观察到用紫光照射的尖端放电特别容易发生，由于当时用紫光照射的尖端放电特别容易发生，由于当时还没有电子的概念还没有电子的概念, ,所以对其机制不是很清楚所以对其机制不是很清楚. .直直到到18971897年汤姆逊发现了电子年汤姆逊发现了电子. .人们才注意到一定频人们才注意到一定频率的光照射在金属表面上时率的光照射在金属表面上时, ,有大量电子从表面逸有大量

2、电子从表面逸出，这种现象称为光电效应出，这种现象称为光电效应. .产生的电子称为光电产生的电子称为光电子。由光电子形成的电流叫光电流。子。由光电子形成的电流叫光电流。一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律1.1.光电效应光电效应太原理工大学物理系太原理工大学物理系16-2 16-2 光电效应光电效应 爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论P200,P200,一下一下3 3，4 4行行 当光照射在金属表面上时当光照射在金属表面上时, ,电子从金属表面电子从金属表面逸出的现象，称为光电效应逸出的现象，称为光电效应. .逸出的电子称为逸出的电子称为光电子。由光电子形成的电流叫光电流。光电子。由光

3、电子形成的电流叫光电流。 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律1.1.光电效应光电效应 1887 1887年年, ,赫兹用莱顿瓶做放电实验时注意到赫兹用莱顿瓶做放电实验时注意到, ,有有紫外线照在火花隙的负极上紫外线照在火花隙的负极上, ,放电就比较容易发生。放电就比较容易发生。 直到直到18971897年汤姆逊发现电子之后年汤姆逊发现电子之后, ,勒纳德证明了勒纳德证明了光电效应中发出的是电子光电效应中发出的是电子. .太原理工大学物理系太原理工大学物理系2.2.实验装置实验装置P200,P200,图图16-416-4BAS S 光通过石英窗口光通过石英窗口照射到阴极照射到阴极K K

4、，光电，光电子从阴极表面逸出子从阴极表面逸出. . 光电子在电场加速光电子在电场加速下向阳极下向阳极A A运动，形成运动，形成光电流光电流 。 S为光电管为光电管;太原理工大学物理系太原理工大学物理系演示实验演示实验太原理工大学物理系太原理工大学物理系1)饱和光电流强度饱和光电流强度Is与入射光强成正比，与频率无关。与入射光强成正比，与频率无关。is1S3 is2is1Is3Is1Is2UIs3 Is2 Is10UiP200, P200, 3.3.实验规律实验规律a)a)、S S一定，改变一定，改变U Ub)一定、改变一定、改变S，饱和光电流饱和光电流 IsS (S3 S2 S1 ) 当光电流

5、达到饱和时，阴极当光电流达到饱和时，阴极 K K上逸出的光电子全上逸出的光电子全部飞到了阳极部飞到了阳极A A上上 P201, P201, 图图16-516-5a)a)太原理工大学物理系太原理工大学物理系P201,16.12P201,16.12式式 设设n为阴极为阴极K单位时间内释放出的电子数，那单位时间内释放出的电子数，那么么 Is= n e ,与光频率无关。与光频率无关。结论结论1：单位时间内从金属表面逸出的光电子：单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光强成正比。数与入射光强成正比。P201,16.12P201,16.12式下第式下第2 2行行例例1 ZP28,2,(1 ZP28,2,

6、(考点考点5 5）即即 n S 太原理工大学物理系太原理工大学物理系例例2 2 （考点（考点1414）太原理工大学物理系太原理工大学物理系2)2)光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关。由图知强无关。由图知: :两极间电压两极间电压U=0U=0时，光电流并不为零时，光电流并不为零, ,说明说明从阴极出来电子具有一定初动能从阴极出来电子具有一定初动能; ;当两极间加一反向电压当两极间加一反向电压U U =-U0 0=-U0 2 1P201,P201,0U 为与金属材料性质无关的普适常量为与金属材料性质无关的普适常量实验表明：

7、实验表明： 为与金属材料性质有关的常量212mmeevP201,16.15P201,16.15式式S一定一定,改变改变，U0。太原理工大学物理系太原理工大学物理系2)2)光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关。，与入射光强无关。P201,P201,isIo0UU当电压当电压U=0U=0时时, ,光电流并不为零；光电流并不为零；说明：从阴极逸出的光电子具有初动能。说明：从阴极逸出的光电子具有初动能。U0 截止电压遏止电压）。截止电压遏止电压）。只有当两极间加一反向电压只有当两极间加一反向电压U =-U00U =-U02 1S一定一定,

8、改变改变，U0。212mmeevP201,16.15P201,16.15式式P201,P201,图图16.516.5b b） 结论结论2：光电子的最大初动能与入射光的频率成：光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，与入射光强无关。线性关系，与入射光强无关。解释教材解释教材P201图图16.5b)实验：说明截止电压实验：说明截止电压U0 和入射光的频率之成线性关系和入射光的频率之成线性关系,与入射光强无关。与入射光强无关。2012mmeUv太原理工大学物理系太原理工大学物理系3) 对一种给定的材料，存在一个截止频率 0 ，低于此截止频率时，不管入射光的强度有多大，均不会产生光电效应。称为此种

9、材料的截止频率或红限。称为此种材料的截止频率或红限。结论结论3: 金属的光电效应有一截止频率金属的光电效应有一截止频率(红限红限)与与入射光强无关入射光强无关.201()02mmeUev00得得 因因0P201, P201, P202,P202,第第5 5行行太原理工大学物理系太原理工大学物理系0讨论：将材料的截止频率或红限讨论：将材料的截止频率或红限2001()2()()mmeUeee v 当当 = = 0 0 时，光电子的最大初动能时，光电子的最大初动能为零。为零。 假设假设 电子的束缚能电子的束缚能 电子看作是自电子看作是自由电子；由电子； 因光子能量因光子能量 电子热运动能电子热运动能

10、量量 电子看作电子看作 碰碰前静止。前静止。 物理图象：一个入射物理图象：一个入射X X光子与一个原来静止的光子与一个原来静止的 自由电子弹性碰撞自由电子弹性碰撞 满足能量、动量守恒。满足能量、动量守恒。太原理工大学物理系太原理工大学物理系2 2定量分析定量分析chP/00ePmuchP/反冲电子反冲电子入射光子：能量入射光子：能量h h0 0 动量动量 p0 = h p0 = h0/c 0/c 碰前电子：碰前电子： m0c2 pe=0 m0c2 pe=0散射光子：散射光子： h h p = h p = h /c /c 碰后电子：碰后电子： mc2 pe =mu mc2 pe =mu 如下图，

11、一个光如下图，一个光子和一个静止的自子和一个静止的自由电子作完全弹性由电子作完全弹性碰撞。此电子称为碰撞。此电子称为反冲电子。反冲电子。 太原理工大学物理系太原理工大学物理系由能量守恒由能量守恒: :由动量守恒由动量守恒: :2200mchcmh00hhnnmucc可得可得200(1 cos ) 2 sin2chmc P206,16.24式式散射角散射角 :入射入射X射线方向与散射射线方向与散射X射线方向间的夹角。射线方向间的夹角。此式说明：波长改变与散射物质无关此式说明：波长改变与散射物质无关, ,仅决定于散仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。射角；波长改变随散射角增大而增加。 m1

12、043. 2120cmhc电子的康普顿波长。电子的康普顿波长。太原理工大学物理系太原理工大学物理系练考点练考点21练考点练考点21太原理工大学物理系太原理工大学物理系4. 4. 康普顿效应的意义康普顿效应的意义支持了光子理论；证明了支持了光子理论；证明了X X射线的粒子性及光子具射线的粒子性及光子具有一定的运动质量、能量有一定的运动质量、能量和动量；证实了普朗克和动量；证实了普朗克爱因斯坦关系式定量上的爱因斯坦关系式定量上的正确性；而且还证明了在正确性；而且还证明了在微观的单个碰撞事件中，微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒律仍然是动量和能量守恒律仍然是成立的。成立的。康普顿康普顿A.H.Co

13、mpton 1892-1962 A.H.Compton 1892-1962 美国物理学家由于发现康普顿效美国物理学家由于发现康普顿效应于应于19271927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖太原理工大学物理系太原理工大学物理系解解1 1）)cos1 (CCC)90cos1 ( 例例 波长波长 的的X射线与静止的自由电子作弹射线与静止的自由电子作弹性碰撞性碰撞,在与入射方向成在与入射方向成 角的方向上观察角的方向上观察, 求求:（1散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？m101.00-10090（3 3反冲电子的动能为多少？反冲电子的动能为多少？m1043. 2122200mchc

14、mh光子与电子碰撞过程中能量守恒光子与电子碰撞过程中能量守恒 例例4 波长波长 的的X射线与静止的自由电子作弹射线与静止的自由电子作弹性碰撞性碰撞,在与入射方向成在与入射方向成 角的方向上观察角的方向上观察, 求求:（1散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？90（2 2散射后散射后X X射线的波长射线的波长为多少？为多少？1001.02 10m 太原理工大学物理系太原理工大学物理系反冲电子的动能反冲电子的动能 光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能2200000(1)295eVkEmcm chhhchchcc（4 4在碰撞中，光子的能量损失了多少？在碰撞中，光子的

15、能量损失了多少？00kEEEhh或根据能量守恒，反冲电子的动能入射光子的或根据能量守恒，反冲电子的动能入射光子的能量与散射光子的能量差，即能量与散射光子的能量差，即太原理工大学物理系太原理工大学物理系解解1 1）)cos1 (CCC)90cos1 ( 例例 波长波长 的的X射线与静止的自由电子作弹射线与静止的自由电子作弹性碰撞性碰撞,在与入射方向成在与入射方向成 角的方向上观察角的方向上观察, 求求:（1散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？m101.00-10090（3 3反冲电子的动能为多少？反冲电子的动能为多少？m1043. 212 例例4 波长波长 的的X射线与静止的自由电

16、子作弹射线与静止的自由电子作弹性碰撞性碰撞,在与入射方向成在与入射方向成 角的方向上观察角的方向上观察, 求求:（1散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？90（2 2散射后散射后X X射线的波长射线的波长为多少？为多少？1001.02 10m 太原理工大学物理系太原理工大学物理系光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能（4 4在碰撞中，光子的能量损失了多少？在碰撞中，光子的能量损失了多少？根据能量守恒，反冲电子的动能入射光子的能根据能量守恒，反冲电子的动能入射光子的能量与散射光子的能量差，即量与散射光子的能量差，即0000(1)295eVkEhhhchchc太原理工

17、大学物理系太原理工大学物理系五、光的波粒二象性五、光的波粒二象性1. 近代关于光的本性的认识近代关于光的本性的认识 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。波粒二象性。波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象。波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象。粒子性：光是光子流，有黑体辐射、光电效应、粒子性：光是光子流，有黑体辐射、光电效应、康普顿效应等现象。光子具有粒子的一切属性康普顿效应等现象。光子具有粒子的一切属性- 质量、能量和动量。质量、能量和动量。 有些情况下有些情况下(传播过程中，能量小传播过程中，能量小)波动性突出；波动性突出；有些情况下有些情况

18、下(和物质相互作用时，能量、动量大和物质相互作用时，能量、动量大)粒子性突出。粒子性突出。但是，光既不是经典的波，也不是经典的粒子。但是，光既不是经典的波，也不是经典的粒子。太原理工大学物理系太原理工大学物理系描述波动性的物理量：波长描述波动性的物理量：波长 、频率、频率 、周期、周期T描述粒子性的物理量：能量描述粒子性的物理量：能量 E 、质量、质量m、动量、动量P2.基本关系式基本关系式 可见，光的这两种性质借助普朗克常量可见，光的这两种性质借助普朗克常量h定量地定量地联系在一起。联系在一起。光子的能量光子的能量光子的质量光子的质量22Ehmcc光子的动量光子的动量Ehhpcc2Ehmcp

19、c表达表达光的波粒二象性可以从光的波粒二象性可以从太原理工大学物理系太原理工大学物理系 光作为电磁波是弥光作为电磁波是弥散在空间而连续的，散在空间而连续的，光作为粒子在空间中光作为粒子在空间中是集中而分立的。如是集中而分立的。如何统一呢何统一呢 ? ?两者统一于概率波两者统一于概率波理论。理论。3. 波动性和粒子性的统一波动性和粒子性的统一B作业作业P216,7,12,14太原理工大学物理系太原理工大学物理系单缝衍射单缝衍射 光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比成正比, ,光子数光子数 N N I I E02 E02光子是分立的，光强分布可以是连续

20、的。光子是分立的，光强分布可以是连续的。光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定。光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定。光子在某处出现的概率大，则该处的光强光子在某处出现的概率大，则该处的光强I 大；大；光子在某处出现的概率小，则该处的光强光子在某处出现的概率小，则该处的光强I 小；小；太原理工大学物理系太原理工大学物理系附：普朗克常数附：普朗克常数h h的测定的测定0U02012mmveU将将代代入入上上式式0UehU0eUh0爱因斯坦方程爱因斯坦方程hmm221v0eUheehU0太原理工大学物理系太原理工大学物理系 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间

21、做了“光光电效应实验，结果在电效应实验，结果在19151915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h h 的值与理论值完全一致，又一次证明了的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子理论的正确。理论的正确。附：光电效应理论的验证附：光电效应理论的验证数据取自数据取自R.A.Millikan,Physical Review,7,362(1916)太原理工大学物理系太原理工大学物理系附：普朗克常数附：普朗克常数h h的测定的测定0U02012mmveU将将代代入入上上式式0UehU0eUh0爱因斯坦方程爱因斯坦方程hmm221v0eUheehU0太原理工大学物理系太原理工大学物理系附：多光子光电效应附：多光子光电效应 在爱因斯坦最初研究光电效应时，并没有考虑在爱因斯坦最初研究光电效应时，并没有考虑到多光子吸收即一个电子吸收两个或两个以上光到多光子吸收即一个电子吸收两个或两个以上光子的情况。但在激光出现后，实验上发现了新的子的情