第4章-奇妙的有色和无色世界热辐射——光与物质的相互作用2：光电效应

1、4-1光电效应 爱因斯坦方程,一、光电效应,光电效应：可见光或紫外光射到某些金属表面上时，有电子从表面逸出的现象。,实验装置,光电流: 这些光电子在电场的作用下飞向阳极,二、光电效应实验规律,1、单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光强度成正比,经典物理的解释是：电子从金属中逸出要克服阻力作功。光强越大，光振辐E0越大，受强迫的电子振动动能越大，能克服阻力逸出金属表面的电子越多。故与光强成正比,2、光电子的最大初动能随入射光的频率增大而线性增大，与入射光的强度无关,1）实验表明：当U=0时，乃至U0时，即电场阻止电子飞向 阳极，但仍有电子飞向阳极，说明光电子有初动能。当反向电压增至一定值U

2、a时，光电流,Ua称为遏止电压,这说明初动能最大的电子也不能到达阳极，即 电子的最大初动能：,对同频率的不同入射光强，遏止电压是相同的，光电子的最大初动能与入射光的强度无关,2）实验还证明，遏止电 压Ua随入射光频率的增大 而线性增大。,从图示可看出：不同材料的图线的斜率相同，相互间仅为平移。k与金属材料种类无关，U0与金属材料种类有关,按光的波动说，金属在光的照射下，金属中的电子受到入射光振动的作用而作受迫振动，这样将从入射光中吸收能量，从而逸出表面，逸出时初动能应决定于光振动振幅，即取决于光强，光强越大，光电子初动能就越大，所以光电子初动能应与光强成正比。但是，实验结果表明，光电子初动能只

3、与光的频率有关，而与光强无关。,3、频率大于红限频率才会产生光电效应,令,红限频率,入射光频率要大于U0 / k，即大于红限频率才能产生光电效应,红限波长,每种金属都有各自对应的红限频率。,红限频率对应于光电子初动能为零时的入射光频率。小于红限频率的入射光都不能产生光电流。,注意：,经典物理理解释不了此规律,按经典波动光学理论，无论何种频率的光照射在金属上，只要入射光足够强，使电子获得足够的能量，电子就能从金属表面逸出来。这就是说，光电效应发生与光的频率无关，只要光强足够大，则就能发生光电效应，不应存在红限频率。 但是，实验表明，只有在入射光的频率大于红限频率时，才能发生光电效应。,这一点也是

4、经典物理不能解释的。,按经典物理，电子从光波场中吸取能量要有一定的时间积累，光强愈小，积累的时间越长。对钾金属而言，用相距3m远的一瓦的光源，经计算，要 76分钟才有光电子逸出,4、光照后，光电子可立即从金属中逸出,三、光子假设、爱因斯坦光电效应方程,1、光子假说（光具有粒子性 ）,光是一束以C运动着的粒子流，每一个光子 所带能量=h，不同的频率的光子具有不同 的能量。,3）光的能流密度：,：单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的光子数。,1）光是运动着的粒子流光子,2）每个光子的能量为,2、光子假设对光电效应实验的解释,依假设：一能流密度为S的光量子（光子）组成的单色光，单位时间通过垂直于光

5、传播方向的单位面积的光子数为n，则：,1）解释光电子数与光强成正比,显然，光强越大（S大），单位时间入射到金属表面的光子数n越大，获得光子的电子数也越多即光电子数与光强成正比。,2）解释光电子的初动能与入射频率有关，而与入 射光光强无关,当光照射到金属内部的电子，它一次吸收了一个能量为h的光子，在上升到表面时将失去一部分能量W，依能量守恒定律：,若电子刚好在金属表面，则W有极小值W，电子 可获得最大动能,爱因斯坦光 电效应方程,h,W,W：逸出功，即电子逸出物体表面所需的最小能量,金属中的电子吸收一个光子的能量光电子的初动能逸出功,爱因斯坦光电效应方程,与前面的实验规律比较,红限频率,3）解释

6、光电效应的瞬时性,电子一吸收一个光子，勿需 能量的积累过程。,爱因斯坦理论圆满地解释了 光电效应。1921年因此获诺贝 尔奖,1916年密立根（Milikan）对 光电效应进行了精密测量也 由此获诺贝尔奖（另一原因 是他用油滴法精确地测定了 电子电量）,h,W,3、光子的能量、动量、质量（粒子性特征）,能量：,质量：,动量：,四、对光的波粒二象性的理解 1、同时具有，都是光的本性； 2、 不同时显现；,五 光电效应在近代技术中的应用,应用：制成光电管，光电管可用于光控继电器、自动计数、自动报警、自动跟踪等。,光电倍增管,例1.求 的可见光光子和 的X射线光子的能量、动量和质量？,例2、用波长为

7、 的光照射铯感光层，求铯放出的光电子的速度。,解 （1）,（3）,4-2康普顿效应,引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证 明光是由光子组成的还是康普顿实验。,Compton实验是X射线散射的实验，按经典理论是X射线的电场迫使散射物中的电子作强迫振荡，而向周围辐射同频率的电磁波的过程。,美国物理学家康普顿（A.Compton18921962）起初也不相信“光量子” ，但密立根的实验对他有触动，特别是在爱因斯坦提出了“光子动量”的概念后，他决定对光子的动量进行检验。他利用钼提供的单色X射线照射石墨，让散射辐射通过两块铅板准直缝后射到布拉格晶体上，最后让衍射线进入威尔逊云室来测量波长和强度。

8、,Compton实验否定了这一说法。,一、康普顿实验,早在1904年伊夫（AS . Eve)发现射线被 物质散射后波长变长的现象,康普顿相继 研究了射线及X射线的散射,他先确定了 伊夫的发现。又用自制的X射线分光计, 测定了X射线经石墨沿不同方向的散射的 定量关系,1923年发表论文作出了解释.,1、散射现象：光通过不均匀物质时，向各个方向发散的现象 实验发现：X射线金属或石墨时，也有散射现象,2、实验装置,3、实验结果:,散射线中有与入射线相同的散射线存在，也有波长0的散射线存在（Compton散射）。,原子量较小的物质散射较强。原子量大的物质，康普顿效应较弱 。,散射线波长的增量 与散射角

9、 有关（ 增加， 增加, 一定， 一定，与散射物质无关）,19251926年，中国物理学家吴有训用其它物质代替石墨进行实验时发现,二、康普顿散射的解释,康普顿散射是光与物质的相互作用，先要搞清：,在什么条件下发生的相互作用？,相互作用的形式是什么？,在狮子面前兔子没有被束缚！,好有一比！,竹 笼,1、Compton散射是光和自由电子的相互作用,因X射线的频率高，能量在104eV数量级，而 石墨中的电子所受的束缚能量仅有几个电子 伏特。相当于是没受束缚的自由电子。,2、自由电子不会吸收光子，而只能以碰撞的形式 进行相互作用。,康普顿的分析：,过程满足能量守恒及动量守恒,碰 撞 前,碰 撞 后,电子,光子,反冲电子,光子,能量,动量,0,3、Compton实验的意义,1）证实了光子理论的正确性 ，说明了光子具有 质量、 能量、动量-光具有粒子 性。,2）在微观领域内，同样严格遵守动量守恒和能 量守