五光电效应的发现与解释

1、光电效应的发现与解释光电效应的发现与解释（高中第三册（高中第三册P.41） 一、一、光电效应的发现光电效应的发现 1887年，年，赫兹赫兹在验证电磁波的存在实验中意外地在验证电磁波的存在实验中意外地发现发现, 一束入射光照射到金属表面时一束入射光照射到金属表面时,会有电子从金属会有电子从金属表面逸出表面逸出光电效应光电效应, 当时他只是对观察到的现象如当时他只是对观察到的现象如实的作了记述，并没有作出解释实的作了记述，并没有作出解释 此后，俄国学者此后，俄国学者斯托刘托夫斯托刘托夫对光电效应进行过研究，对光电效应进行过研究，并通过实验得到并通过实验得到光电流大小与入射光的强度成正比光电流大小与

2、入射光的强度成正比；光电流实际上是辐射开始即刻产生，无需时间积累光电流实际上是辐射开始即刻产生，无需时间积累的的结论结论 1889年，年，JJ汤姆逊汤姆逊用磁偏转切断电流的方法用磁偏转切断电流的方法测定了测定了光电流的荷质比光电流的荷质比，确定，确定光电流与阴极射线同光电流与阴极射线同属一类的带电粒子所组成属一类的带电粒子所组成 18891889年，年，爱耳斯特爱耳斯特和和盖特尔盖特尔在研究金属的光电在研究金属的光电灵敏性实验时进一步指出，有些金属（如钾、钠、灵敏性实验时进一步指出，有些金属（如钾、钠、锌、铝）等，不但对强弧光有光电效应，对普通的锌、铝）等，不但对强弧光有光电效应，对普通的太阳

3、光也有同样的效应，而另一些金属（如锡、铜、太阳光也有同样的效应，而另一些金属（如锡、铜、铁）则没有铁）则没有 1890 年，德国物理学家年，德国物理学家勒纳德勒纳德（18621947）也）也用同样的方法测出了光电流的荷质比，得到相同的结用同样的方法测出了光电流的荷质比，得到相同的结果同时他还创造了一种实验方法，即果同时他还创造了一种实验方法，即用加反压的方用加反压的方法测电子的最大速度法测电子的最大速度，通过研究，勒纳德宣布了一个，通过研究，勒纳德宣布了一个惊人的发现：惊人的发现：从金属表面逸出的光电子的的最大速度从金属表面逸出的光电子的的最大速度与入射光的强度无关与入射光的强度无关光强度的增

4、加只影响单位时间光强度的增加只影响单位时间内逸出的电子数目，不影响电子的最大速度内逸出的电子数目，不影响电子的最大速度这个结果是在这个结果是在1902年发表的，对这个结论的年发表的，对这个结论的解释，经典电磁理论遇到了困难根据经典理论，解释，经典电磁理论遇到了困难根据经典理论，电子接受光的能量获得的动能，应该是电子接受光的能量获得的动能，应该是光越强，光越强，能量也越大，电子的速度也就越快能量也越大，电子的速度也就越快 和经典理论有抵触的实验事实还不止这些，在和经典理论有抵触的实验事实还不止这些，在勒纳德之前，人们就已经遇到了其它的矛盾，例勒纳德之前，人们就已经遇到了其它的矛盾，例如：如：几种

5、金属的极限频率和极限波长几种金属的极限频率和极限波长铯铯钾钾锌锌银银铂铂频率频率(Hz)4.5510145.3810148.07101411.5101415.31014波长波长(nm)6605583722601962、光照到金属表面，光电流立即就产生了光照到金属表面，光电流立即就产生了（约（约10-9秒）可是根据经典理论，能量总是要有一个积累的过程秒）可是根据经典理论，能量总是要有一个积累的过程 1、频率低于是某一临界值频率低于是某一临界值（光电效应的红限）（光电效应的红限）时，不时，不论光有多强，也不会产生光电流论光有多强，也不会产生光电流可是根据经典理论，应可是根据经典理论，应该没有频率限

6、制该没有频率限制 这些矛盾揭露了经典理论的不足这些矛盾揭露了经典理论的不足勒纳德勒纳德在在1902年提出年提出触发假说触发假说，企图在不违反经典理论的前提下，对上述事实作，企图在不违反经典理论的前提下，对上述事实作出解释出解释: :假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子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，光照到原子上，只要原本就是以某一速度在原子内部运动，光照到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，所以光光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，所以光只起打开闸门的作用，闸门一旦打开，电子就以自身的速度只起打开闸门的作用，

7、闸门一旦打开，电子就以自身的速度从原子内部逸走从原子内部逸走他认为，原子里电子的振动频率是特定的，他认为，原子里电子的振动频率是特定的，因此只有频率合适的光才能起触发作用因此只有频率合适的光才能起触发作用 许多物理学家也提出了一些新的观点，试图对这一现象许多物理学家也提出了一些新的观点，试图对这一现象进行解释进行解释勒纳德的触发假说很容易被人们接受，在当时颇有影勒纳德的触发假说很容易被人们接受，在当时颇有影响响1905年，勒纳德因年，勒纳德因阴极射线阴极射线的研究获得了诺贝尔物理的研究获得了诺贝尔物理奖奖 1905年，年，爱因斯坦爱因斯坦发表论文发表论文关于光的产生和转化的一关于光的产生和转化

8、的一个启发性观点个启发性观点，为解释以上光电效应的实验规律，提出了，为解释以上光电效应的实验规律，提出了光量子假说：光量子假说：一束单色光中的能量是成包的到来的每包能一束单色光中的能量是成包的到来的每包能量大小为量大小为 ，当光照射金属表面时，这能量全部传给金属中，当光照射金属表面时，这能量全部传给金属中的电子，使金属中的电子具有能量的电子，使金属中的电子具有能量 如果使电子从金如果使电子从金属表面逸出，则要损失一定能量，并提出了光电方程：属表面逸出，则要损失一定能量，并提出了光电方程： 式中式中 是光电子的最大动能，是光电子的最大动能， 为普朗克常数，为普朗克常数， 为光的为光的频率，频率，

9、 是金属逸出功，与金属材料有关是金属逸出功，与金属材料有关hEh212mvhA212mvhA二、光电效应的解释二、光电效应的解释 三、光电方程的验证三、光电方程的验证爱因斯坦的光电方程和光量子假说并没有立爱因斯坦的光电方程和光量子假说并没有立即得到人们的承认，甚至连相信量子概念的一些即得到人们的承认，甚至连相信量子概念的一些物理学家，物理学家，就连最早提出量子论的普朗克也认为就连最早提出量子论的普朗克也认为爱因斯坦提出的光量子理论爱因斯坦提出的光量子理论“太过分太过分”了了 爱因斯坦的光电方程的最终证实，是爱因斯坦的光电方程的最终证实，是1916年由美国物理年由美国物理学家学家密立根密立根的精

10、确实验所完成密立根对爱因斯坦光量子说的精确实验所完成密立根对爱因斯坦光量子说曾长期持保守态度，曾长期持保守态度，花了花了10年时间企图从实验中得出否定结年时间企图从实验中得出否定结果，果，但令人钦佩的是，密立根以他严谨的作风，精湛的实验但令人钦佩的是，密立根以他严谨的作风，精湛的实验技术，周密的研究取得了与预期相反的实验结果，他在事实技术，周密的研究取得了与预期相反的实验结果，他在事实面前服从真理，反过来宣布面前服从真理，反过来宣布：他从实验中证实，由光量子理：他从实验中证实，由光量子理论得到的论得到的h值和由普朗克公式得到的值和由普朗克公式得到的h值完全一致从而证明值完全一致从而证明了爱因斯

11、坦光电方程的正确性了爱因斯坦光电方程的正确性 这种可贵的科学求实精神，这种可贵的科学求实精神，确是值得后人学习的确是值得后人学习的密立根进行光电效应实验所用装置图密立根进行光电效应实验所用装置图(部分部分)下图示意地说明了密立根的实验，当一定频率的单色光下图示意地说明了密立根的实验，当一定频率的单色光照射到金属板照射到金属板B时，引起电子逸出时，引起电子逸出A极相对于极相对于B极有任意电极有任意电压压V，它有抑制电子向，它有抑制电子向A极运动的作用极运动的作用AB间的光电子电间的光电子电流可以测量流可以测量hWee 如果承认爱因斯坦光电方程正确，则当如果承认爱因斯坦光电方程正确，则当eVEk时

12、，没有时，没有一个电子能到达一个电子能到达A极，当极，当 eVEk时，时，AB间就会有电流出现，间就会有电流出现，如果如果V0是电流恰为零时的电势（是电流恰为零时的电势（截止电势截止电势），则有），则有 eV0=Ek =hW即：即： V0=这说明截止电势这说明截止电势V0与照射光的频率有关，若改变入射光与照射光的频率有关，若改变入射光的频率的频率，则截止电势，则截止电势V0对频率对频率的图线将是一条直线的图线将是一条直线由下图直线的斜率可以求出常数由下图直线的斜率可以求出常数 ，由直线与，由直线与 V0轴的轴的截 距 可 以 求 出 与 材 料 有 关 的 常 数 ， 密 立 根 算 出 的截

13、 距 可 以 求 出 与 材 料 有 关 的 常 数 ， 密 立 根 算 出 的 h=6.5610-27焦耳焦耳秒，和普朗克秒，和普朗克1900年从黑体辐射求得年从黑体辐射求得h=6.5510-27焦耳焦耳秒很相近这就证明了爱因斯坦光电方程秒很相近这就证明了爱因斯坦光电方程的正确性的正确性heWe钠的截止电势与频率成正钠的截止电势与频率成正比比爱因斯坦光量子理论的重要意义，不仅在于对光电效应爱因斯坦光量子理论的重要意义，不仅在于对光电效应作了正确的解释，更重要的是使关于光的本性的争论更前进作了正确的解释，更重要的是使关于光的本性的争论更前进了一步，使光的波粒二象性的观点更趋完善了一步，使光的波

14、粒二象性的观点更趋完善 1.以以“在理论方面的贡献和发现了光电效应定律在理论方面的贡献和发现了光电效应定律”的名义，的名义，授予授予爱因斯坦爱因斯坦1921年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 2.由于在基本电荷和光电效应方面所作的研究成果，授予由于在基本电荷和光电效应方面所作的研究成果，授予密立根密立根1923年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖四、光电效应与诺贝尔奖四、光电效应与诺贝尔奖五、光电效应的应用五、光电效应的应用1. 夜视仪器夜视仪器2. 光电传感器和光电印刷术光电传感器和光电印刷术3. 工厂的自动控制（如：光控继电器）工厂的自动控制（如：光控继电器）4. 卫星的自动跟踪及宇宙飞行器的制导卫星的

15、自动跟踪及宇宙飞行器的制导六、总结六、总结1、光电效应的特性：、光电效应的特性：从金属表面逸出的光电子的能量与入射光从金属表面逸出的光电子的能量与入射光的强度无关；的强度无关；频率低于是某一临界值（光电效应的红限）频率低于是某一临界值（光电效应的红限）时，不论光有多强，也不会产生光电流时，不论光有多强，也不会产生光电流2、光电方程：、光电方程：212mVhW 一、光电效应的发现一、光电效应的发现 、光电效应的、光电效应的定义定义（广义）（广义）: 当光照射在某种元件上时，引起与这一元件相连接的当光照射在某种元件上时，引起与这一元件相连接的电路中产生电流或发生电流变动的现象电路中产生电流或发生电流变动的现象 、根据所产生光电现象的不同，光电效应可以分、根据所产生光电现象的不同，光电效应可以分为为三类三类：(1)