光电效应光量子学说

光电效应光量子学说第1页，共19页。

问题引入

光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的程度。但是，这个学说还不能完全解释所有的光现象。就在赫兹用实验证实麦克斯韦的电磁场理论的时候，也发现了另一种物理现象——光电效应。该现象用光的波动理论是无法解释的，这就不得不使人们对光的本性进行思考，从而为物理学的发展开拓了新的领域。第2页，共19页。

一、光电效应把一块碱金属（例如锌板）连接在灵敏验电器上，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，结果验电器的指针张开了一个角度，表示锌板经照射后带了电，进一步检验知道锌板带的是正电。这说明在弧光灯的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞了出去，锌板中缺了电子，于是带正电。第3页，共19页。

在光(包括不可见光)的照射下，金属表面发射电子的现象叫做光电效应。

发射出来的电子叫做光电子。1.

光电效应2.

光电效应的实验规律

（1）产生光电效应的条件；

（2）光电子最大初动能；

（4）光电流的大小。

（3）光电效应产生的时间；第4页，共19页。

（1）产生光电效应的条件

如图所示，不同单色光照射不同金属，要产生光电效应，必须有一个最低频率。

如锌板用紫外线照射时，能产生光电效应，用黄光照射则不能产生光电效应。

任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。

实验结论：弧光灯第5页，共19页。几种金属的截止频率f0和对应的波长

0铂银锌钠铯金属19626037250066015.311.58.076.004.55第6页，共19页。光电效应中从金属出来的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为最大初动能。(2)光电子最大初动能

光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光的频率增大而增大。第7页，共19页。

（3）

光电效应产生的时间如图，是研究光电效应的实验装置示意图。当单色光照射阴极K

时,将从阴极K

发射光电子。如果光电子一旦飞出,电流表的指针就发生偏转，以便了解入射光照射多长时间才产生光电效应。

即使入射光强度非常弱，只要入射光频率大于截止频率，电流表指针也几乎随着入射光的照射立即偏转，精确实验表明，从光电子发射到光电流产生最多相差10-9s。

实验结果：第8页，共19页。

（4）

光电流的大小按图装置，用一定强度的光照射K，电流表中有一定读数，这时改变

K、A

之间的电压，使其增大，电流表显示的光电流在增大。但是，当K、A间电压足够大后，电流表读数不再改变，这就是饱和光电流。即使升高电压，电流也不会再增大。

当入射光的频率大于截止频率时，光电流与入射光的强度成正比。

实验结论:

此时若再增大入射光的强度，光电流会随之增大。第9页，共19页。

二、光子

爱因斯坦（1879—1955）1900年，德国物理学家普朗克(1858-1947)在研究物体热辐射的规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能跟实验事实相符。这样的一份能量叫做能量子。每一份能量等于hn，其中n是辐射电磁波的频率，h

是一个常数，叫普朗克常量，实验测得第10页，共19页。光电效应有力地证明了光具有粒子性。

受普朗克的启发，爱因斯坦于1905年提出，在空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，光子的能量E跟光的频率n成正比，即E=hn式中的h就是普朗克常量。这个学说被称为光子说。在光电效应中，金属中的电子在逸出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。第11页，共19页。几种金属的逸出功金钛镁钙铯金属4.84.13.72.71.9W/eV

如果入射光的能量hn大于金属的逸出功W，那么有些光电子在脱离金属表面后，还有剩余的能量，即为光电子的初动能。

上式叫做爱因斯坦方程。当光电子的初动能为零时，入射光频率就是金属的截止频率n0，即第12页，共19页。

例题如果用波长为400nm的紫外线照射铯时，逸出光电子的动能是多少？

解：波长为400nm的紫光频率为

根据爱因斯坦方程得第13页，共19页。

三、光电管及其应用

1.光电管光电管应用在各种自动化装置及有声电影、无线电传真、光纤通信等中。

作用：光电效应能把光信号转变为电信号（而且几乎同步）。如图，改变光的强弱就会从电流表中读数变化得到电流的强弱。第14页，共19页。

发送端的传真机通过光电转换将文稿图片的黑白信息变成电信号发射出去，接收端再将电信号转换成光电信号，从传真机上便可以得到原稿真迹了。(

1

)传真机

图像是用光束扫描的。光束强度的改变可通过光电管来测知，并且转换为可经电线输送的电信号。位于另一端的传真机则将信号转换回图像。传真机第15页，共19页。

（2）光纤通信

各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式，称光纤通信。光纤通信不同于有线电通信，后者是利用金属媒体传输信号，光纤通信则是利用光纤传输光波。虽然光和电都是电磁波，但其频率范围相差很大。一般通信电缆使用频率最高，约9

~

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MHz，光纤的工作频率在1014~1015Hz之间。

目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。

光纤通信最主要的优点是：①容量大;②衰减小;③体积小，重量轻，同时有利于施工和运输;④防干扰性能好；⑤节约有色金属；⑥成本低。第16页，共19页。

由美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大共同出资建造的国际空间站上安装了价值6亿美元、长74m的太阳能电池板，共装了6.4万个光电管，展开后的太阳能电池板长

（3）太阳能电池板太空站及其太阳能电池板度比波音747飞机的机翼还长，可将太阳能转化为电能。此太阳能电池板将于2006年建成的，所产生的电力可供地球上30户家庭使用，这将使2003年1月进入空间站的命运号太空舱可有足够的电力，以保证正常的科学实验。由此，国际空间站将