光电效应爱因斯坦的光量子论

光电效应爱因斯坦的光量子论第1页，共33页，2023年，2月20日，星期三2.实验装置GD为光电管；光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向阳极A运动，形成光电流。VAGDKA第2页，共33页，2023年，2月20日，星期三3.实验规律将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。

电压达到某一值-U0

时，光电流恰为0。

U0称反向截止电压。

在一定强度的单色光照射下,光电流随加速电压的增加而增大,但当加速电压增加到一定量值时,光电流达饱和值is.

加速电压为零时,光电流不为零,说明光电子从金属表面逸出时具有初动能.第3页，共33页，2023年，2月20日，星期三(1)光电流与光强的关系

如果增加入射光的强度,饱和光电流is也随着增大.即饱和光电流与入射光的强度成正比。结论1：单位时间内,从金属表面释放出来的电子数和入射光的强度成正比。（2）截止电压

加截止电压U0时,光电子的动能全部用来克服电场力作功第4页，共33页，2023年，2月20日，星期三截止电压和入射光的频率之间具有线性关系,与入射光强无关。截止电压与频率的关系

为不随金属性质不同而改变的普适恒量（3）截止频率（又称红限）

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称为光电效应的红限（截止频率）

结论2：光电子从金属表面逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系。结论3:当入射光的频率小于时，不管照射光的强度多大，不会产生光电效应。第6页，共33页，2023年，2月20日，星期三（4）弛豫时间

从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光的强度如何，这段时间很短，不超过。结论4:光电效应是瞬时的。二.经典物理学所遇到的困难1)光波的能量与光强有关，电子吸收的能量也与光强有关，光电子的初动能应随入射光的强度增加。不存在截止频率！2)光波的能量分布在波面上，电子积累能量需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！按照光的经典电磁理论：第7页，共33页，2023年，2月20日，星期三

普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子的发射或吸收上，并未涉及辐射在空间的传播。相反，当时认为在空间传播的电磁辐射，其能量仍是连续分布的。这显然是不协调的。三、爱因斯坦的光子理论爱因斯坦指出了上述不协调性。1905年提出了光子假说：(1)光是由光子组成的光子流，光的能量集中于一颗颗的光子上。(2)光子的能量和其频率成正比1.爱因斯坦光子假说第8页，共33页，2023年，2月20日，星期三(3)光子具有“整体性”。一个光子只能“整个地”被电子吸收或放出。2.对光电效应的解释1)光照射到金属表面时，一个光子的能量可以立即被金属中的自由电子吸收。2)但只有当入射光的频率足够高，以致每个光子的能量h足够大时，电子才有可能克服逸出功Φ逸出金属表面。用Φ表示电子逸出金属表面时克服阻力而做的功，称为逸出功。第9页，共33页，2023年，2月20日，星期三3)逸出的电子的最大初动能为4)当

/h时，电子的能量不足以克服逸出功而发生光电效应。存在红限频率.红限频率光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！第10页，共33页，2023年，2月20日，星期三几种金属的红限及逸出功钯Pd金Au汞Hg钛Ti铯Cs12.111.610.99.9248258275303654.85.0金属红限逸出功(Hz)(nm)νc04.8=ν0（eV)+10140l第11页，共33页，2023年，2月20日，星期三

美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h

的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。3.光电效应理论的验证数据取自R.A.Millikan,PhysicalReview,7,362(1916)第12页，共33页，2023年，2月20日，星期三4.普朗克常数h的测定爱因斯坦方程代入上式第13页，共33页，2023年，2月20日，星期三5.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，实验上发现了新的吸收过程，特别对于双光子吸收的过程，在实验上和理论上均取得了许多成果。

1983年Forkas等人用co2激光器发出波长为10.6μm的激光为入射光，金作为靶金属，观察到了吸收40个等效光子的过程。第14页，共33页，2023年，2月20日，星期三

光电控制电路、自动报警、自动计数、光电倍增管、鼠标器等等。6.光电效应在近代技术中的应用

利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性,可以制造光电转换器----实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器如光电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。第15页，共33页，2023年，2月20日，星期三光电倍增管放大器接控件机构光光控继电器示意图原理：当加在发光元件上的信号达到某一定值时，光的作用使光敏器件的阻值发生急剧变化，从而起到闭合或开断电路的作用。第16页，共33页，2023年，2月20日，星期三

光电效应的研究历经三十年，有三人荣获诺贝尔物理奖莱纳德发现现象1905年爱因斯坦理论解释1921年密立根实验证实1923年密立根，美国物理学家。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。第17页，共33页，2023年，2月20日，星期三四、光的波粒二象性1.近代关于光的本性的认识

光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象粒子性：光是光子流，光子具有粒子的一切属性---质量、能量、动量。有些情况下(传播过程中，能量小)波动性突出；有些情况下(和物质相互作用时，能量、动量大)粒子性突出。第18页，共33页，2023年，2月20日，星期三描述光的波动性：波长，频率描述光的粒子性：能量E

，动量P2.基本关系式静质量动质量光子动量但是，光即不是经典的波，也不是经典的粒子。光子质量第19页，共33页，2023年，2月20日，星期三

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。如何统一呢?两者统一于概率波理论。3.波动性和粒子性的统一第20页，共33页，2023年，2月20日，星期三单缝衍射

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

IE02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大，则该处的光强I大；光子在某处出现的概率小，则该处的光强I小；第21页，共33页，2023年，2月20日，星期三五、康普顿效应康普顿吴有训1923年康普顿（及中国科学家吴有训）研究了x射线通过物质时向各方向散射的现象。进一步证实了爱因斯坦的光子概念。第22页，共33页，2023年，2月20日，星期三1.实验装置

康普顿发现,在散射光中除了有与入射光波长λ0

相同的射线之外，同时还出现一种波长λ大于λ0

的射线。这种改变波长的散射称为康普顿效应。第23页，共33页，2023年，2月20日，星期三1）原子质量较小的物质，波长对应的谱线强度大，康普顿效应显著；原子质量大的物质康普顿效应较弱。049Be2964Cu减小。2.实验结果增大，在同一散射角下，随原子序数Z增大，第24页，共33页，2023年，2月20日，星期三吴有训的康普顿效应散射实验曲线第25页，共33页，2023年，2月20日，星期三2）波长的改变量与散射角有关，与散射物质和入射波长无关。（相对强度）（波长）第26页，共33页，2023年，2月20日，星期三2.经典理论的解释

根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，散射光频率=粒子作受迫振动频率=入射光频率.光的波动理论无法解释康普顿效应。3.光子理论对康普顿效应的解释

康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概念:一定频率的光子不仅具有确定的能量,而且还有确定的动量,即光子的动量：光子的能量：第27页，共33页，2023年，2月20日，星期三(1)若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。(2)若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。

康普顿用光子概念成功地解释了康普顿效应:光子与静止的自由电子发生弹性碰撞,碰撞过程中严格遵守能量、动量守恒定律。第28页，共33页，2023年，2月20日，星期三(3)在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。(4）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。X射线是由一些能量为=h

的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，可以把电子看作是静止的自由电子。4.康普顿效应的定量分析第29页，共33页，2023年，2月20日，星期三碰撞前：光子能量为ho，动量为ho/c；电子的能量为moc2，动量为零。反冲电子碰撞后：光子散射角为，光子能量为h，动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它的能量为，动量为。第30页，共33页，2023年，2月