大學物理：16-2 光電效應 光的波粒二象性

1、162 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性 光照射到某些物質上，引起物質的電性質發(fā)光照射到某些物質上，引起物質的電性質發(fā)生變化。這類光致電變的現象被人們統(tǒng)稱為光電生變化。這類光致電變的現象被人們統(tǒng)稱為光電效應。效應。伏安特性曲線伏安特性曲線一一. 光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律v飽和電流飽和電流 iS v遏止電壓遏止電壓 Ua iS 光電子數光電子數amUme221vI （I, v)AKUiS3iS1iS2I1I2I3UaUiI1I2I3Ua 0光電子最大初動能和光電子最大初動能和 成線性關系成線性關系v截止頻率截止頻率 0v即時發(fā)射即時發(fā)射遲滯時間不超過遲滯時間不超過 10

2、-9 秒秒遏止電壓與頻率關系曲線遏止電壓與頻率關系曲線和和v 成成線線性性關關系系i光電效應實驗的結果如下：光電效應實驗的結果如下： 1陰極陰極(發(fā)射光電子的金屬材料發(fā)射光電子的金屬材料)發(fā)射的光電子數和照射發(fā)射的光電子數和照射的光強度成正比。的光強度成正比。 2光電子逸出物體時的初速度和照射光的頻率有關而和光電子逸出物體時的初速度和照射光的頻率有關而和發(fā)光強度無關。發(fā)光強度無關。 3僅當照射物體的光頻率大于某個確定值時，物體才能僅當照射物體的光頻率大于某個確定值時，物體才能發(fā)出光電子，發(fā)出光電子， 4從實驗知道，產生光電流的過程非?？鞆膶嶒炛?，產生光電流的過程非常快 光電效應的瞬時性與光的

3、波動性相矛盾，光電效應的瞬時性與光的波動性相矛盾， 按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面量，飛出金屬表面 可事實是，只要光的頻率高于金屬的紅限頻率，可事實是，只要光的頻率高于金屬的紅限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的， 正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規(guī)定正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規(guī)定的能量單位的能量單位(即光子或光量子即光子或光量子)所組成。所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。這

4、種解釋為愛因斯坦所提出。 16.2.2 光子光子 愛因斯坦方程愛因斯坦方程 愛因斯坦首先提出光子的概念，也就是愛因斯坦愛因斯坦首先提出光子的概念，也就是愛因斯坦認為一束光是一束光子流，每個光子的能量認為一束光是一束光子流，每個光子的能量為為 。 h 當光子照射到物體上時，它的能量可以被物體中當光子照射到物體上時，它的能量可以被物體中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量 ，能量增加，不需要積累能量的過程能量增加，不需要積累能量的過程(光電效應是瞬時的光電效應是瞬時的) h 愛因斯坦方程愛因斯坦方程hh 如果電子吸收的能量如果電子吸收的能量 足夠大，能夠克服

5、脫足夠大，能夠克服脫離物體表面時的逸出功離物體表面時的逸出功W，那么電子就可以離開物，那么電子就可以離開物體表面逃逸出來，成為光電子，這就是光電效應。體表面逃逸出來，成為光電子，這就是光電效應。 hWmvh221 是入射光的頻率是入射光的頻率 ， W是逸出功，是逸出功， 是光電效應是光電效應發(fā)生的紅限頻率發(fā)生的紅限頻率 ，m是被發(fā)射電子的靜止質量，是被發(fā)射電子的靜止質量，v是被發(fā)射電子的速度，是被發(fā)射電子的速度， 是逸出物體的光電子的是逸出物體的光電子的初動能。初動能。 0221mv16.2.3 光電效應在近代技術中的應用光電效應在近代技術中的應用 1.光控繼電器光控繼電器 利用光電管制成的光

6、控繼電器，可以用于利用光電管制成的光控繼電器，可以用于自動控制，如自動計數、自動報警、自動自動控制，如自動計數、自動報警、自動跟蹤等等跟蹤等等 工作原理工作原理 當光照在光電管上時，光電管電路中產生光當光照在光電管上時，光電管電路中產生光電流，經過放大器放大，使電磁鐵電流，經過放大器放大，使電磁鐵M磁化，而把銜磁化，而把銜鐵鐵N吸住，當光電管上沒有光照時，光電管電路中吸住，當光電管上沒有光照時，光電管電路中沒有電流，電磁鐵沒有電流，電磁鐵M就把銜鐵放開，將銜鐵和控制就把銜鐵放開，將銜鐵和控制機構相連接，就可進行自動控制。利用光電效應機構相連接，就可進行自動控制。利用光電效應還可測量一些轉動物體

7、的轉速。還可測量一些轉動物體的轉速。2.光電倍增管光電倍增管 光電倍增管可以測量非常微弱的光光電倍增管可以測量非常微弱的光 管內除有一個陰極管內除有一個陰極K和一個陽極和一個陽極A外，外，還有若干個倍增電極還有若干個倍增電極 使用時不但要在陰極和陽極之間加使用時不但要在陰極和陽極之間加上電壓，各倍增電極也要加上電壓，上電壓，各倍增電極也要加上電壓，使陰極電勢最低，各個倍增電極的使陰極電勢最低，各個倍增電極的電勢依次升高，陽極電勢最高電勢依次升高，陽極電勢最高 54321,KKKKK 當陰極受到光的照射時，就發(fā)射光電子，并在加當陰極受到光的照射時，就發(fā)射光電子，并在加速電場的作用下，以較大的動能

8、撞擊到第一個倍速電場的作用下，以較大的動能撞擊到第一個倍增電極上，增電極上， 光電子能從這個倍增電極上激發(fā)出較多的電子，光電子能從這個倍增電極上激發(fā)出較多的電子，這些電子在電場的作用下，又撞擊到第二個倍增這些電子在電場的作用下，又撞擊到第二個倍增電極上，電極上， 從而激發(fā)出更多的電子，從而激發(fā)出更多的電子， 激發(fā)出的電子數不斷增加，最后陽極收集到的電激發(fā)出的電子數不斷增加，最后陽極收集到的電子數將比最初從陰極發(fā)射的電子數增加了很多倍子數將比最初從陰極發(fā)射的電子數增加了很多倍 851010 3.農業(yè)病蟲害防治農業(yè)病蟲害防治 農業(yè)蟲害的治理需要依據有害昆蟲的特性提出與農業(yè)蟲害的治理需要依據有害昆蟲

9、的特性提出與環(huán)境適宜、生態(tài)兼容的技術體系和關鍵技術。環(huán)境適宜、生態(tài)兼容的技術體系和關鍵技術。 有害昆蟲表現了對敏感光源具有個體差異性和群有害昆蟲表現了對敏感光源具有個體差異性和群體一貫性的趨光性行為特征，并通過視覺神經信體一貫性的趨光性行為特征，并通過視覺神經信號響應和生理光子能量需求的方式呈現出生物光號響應和生理光子能量需求的方式呈現出生物光電效應的作用本質。電效應的作用本質。 利用昆蟲的這種趨向行為誘導增益特性利用昆蟲的這種趨向行為誘導增益特性 16.2.4 光的波粒二象性光的波粒二象性 光在真空中的傳播速度光在真空中的傳播速度c為光速，也就是光子的為光速，也就是光子的速度是速度是c，所以

10、需要用相對論來處理光子的質量、，所以需要用相對論來處理光子的質量、能量和動量問題。能量和動量問題。 根據狹義相對論的動量和能量關系式根據狹義相對論的動量和能量關系式20222EcpE光子的靜能量光子的靜能量 為零，所以動量和能量關系式為為零，所以動量和能量關系式為0EpcE 其動量也可以寫成其動量也可以寫成 對于頻率對于頻率 為波長為為波長為 的光子其動量和能量的光子其動量和能量分別為分別為hchcEphE hp 由上兩式可以看出，描述光子粒子性的量與描述光由上兩式可以看出，描述光子粒子性的量與描述光的波動性的量（和）聯系在一起了的波動性的量（和）聯系在一起了。 光電效應實驗表明，光由粒子組成，體