高中物理競(jìng)賽講義-光電效應(yīng)

1、光電效應(yīng)普朗克提出了能量子概念以后，許多物理學(xué)家都想從經(jīng)典物理學(xué)中求得解釋?zhuān)冀K無(wú)法成功為了盡量縮小與經(jīng)典物理學(xué)之間的差距，普朗克把能量子的概念局限于振子輻射能量的過(guò)程，而認(rèn)為輻射場(chǎng)本身仍然是連續(xù)的電磁波直到1905年愛(ài)因斯坦在光電效應(yīng)的研究中，才突破了普朗克的認(rèn)識(shí)，看到了電磁波能量普遍都以能量子的形式存在從光和微觀粒子相互作用的角度來(lái)看，各種頻率的電磁波都是能量為的光粒子(稱(chēng)作光子)體系，這就是說(shuō)，光不僅有波的性質(zhì)而且有粒子的性質(zhì)1.光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律在1886年1887年，赫茲在證實(shí)電磁波的存在和光的麥克斯韋電磁理論的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，已經(jīng)注意到：當(dāng)兩個(gè)電極之一受到紫外光照射時(shí)，兩電極之間的

2、放電現(xiàn)象就比較容易發(fā)生然而當(dāng)時(shí)赫茲對(duì)這個(gè)現(xiàn)象并沒(méi)有繼續(xù)研究下去直到電子發(fā)現(xiàn)后，人們才知道這是由于紫外光的照射，使大量電子從金屬表面逸出的緣故這種電子在光的作用下從金屬表面發(fā)射出來(lái)的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電效應(yīng)，逸出來(lái)的電子稱(chēng)為光電子 研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，陰極K和陽(yáng)極A封閉在真空管內(nèi)，在兩板之間加一可變電壓，用以加速或阻擋釋放出來(lái)的電子光通過(guò)石英小窗W照到電極K上，在光的作用下，電子從電極K逸出，并受電場(chǎng)加速而形成電流，這種電流稱(chēng)為光電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)光和光電流之間有一定的關(guān)系首先在入射光的強(qiáng)度與頻率不變的情況下，電流電壓的實(shí)驗(yàn)曲線如圖89所示曲線表明，當(dāng)加速電壓V增加到一定值時(shí)，光電流達(dá)到飽和

3、值，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)從陰極K射出的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極A若單位時(shí)間內(nèi)從電極K上擊出的光電子數(shù)目為n，則飽和電流Ine另一方面，當(dāng)電位差V減小到零，并逐漸變負(fù)時(shí)，光電流并不降為零，就表明從電極K逸出的光電子具有初動(dòng)能所以盡管有電場(chǎng)阻礙它運(yùn)動(dòng)，仍有部分光電子到達(dá)電極K但是當(dāng)反向電位差等于Ve時(shí)，就能阻止所有的光電子飛向電極A，光電流降為零，這個(gè)電壓叫遏止電壓它使具有最大初速度的電子也不能到達(dá)電極A如果不考慮在測(cè)量遏止電壓時(shí)回路中的接觸電勢(shì)差，那么我們就能根據(jù)遏止電壓 來(lái)確定電子的最大速度和最大動(dòng)能，即在用相同頻率不同強(qiáng)度的光去照射電極時(shí)，得到的電流電壓曲線如圖所示它表示出對(duì)于不同強(qiáng)度的光，Vg是相

4、同的，這說(shuō)明同一種頻率不同強(qiáng)度的光所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能是相同的此外，用不同頻率的光去照射電極K時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是頻率愈高，Vg愈大并且與Vg成直線關(guān)系，頻率低于的光，不論強(qiáng)度多大，都不能產(chǎn)生光電子，因此不同的材料，閾頻率不同總結(jié)所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光電效應(yīng)的規(guī)律可歸納為如下幾點(diǎn)：1飽和電流I的大小與入射光的強(qiáng)度成正比，也就是單位時(shí)間內(nèi)被擊出的光電子數(shù)目與入射光的強(qiáng)度成正比(光電效應(yīng)第一定律)2光電子的最大初動(dòng)能(或遏止電壓)與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，而只與入射光的頻率有關(guān)頻率越大，光電子的能量就越大(光電效應(yīng)第二定律)3入射光的頻率低于遏止頻率(極限頻率,紅限頻率)的光，不論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)

5、，都沒(méi)光電子發(fā)射(光電效應(yīng)第三定律)4光的照射和光電子的釋放幾乎是同時(shí)的，在測(cè)量的精度范圍內(nèi)10-9s觀察不出這兩者間存在滯后現(xiàn)象2.光電效應(yīng)和波動(dòng)理論的矛盾光能使金屬中的電子釋放，從經(jīng)典理論來(lái)看，是不難理解的我們知道金屬里面有大量的自由電子，這些電子通常受到正電荷的引力作用，而被束縛在金屬表面以內(nèi)，它們沒(méi)有足夠的能量逸出金屬表面但因光是電磁波，在它的照射下，光波中的電場(chǎng)作用于電子，迫使電子振動(dòng)，給電子以能量，使電子有足夠的能力掙脫金屬的束縛而釋放出去因此按照光的電磁理論可以預(yù)測(cè)：(1)光愈強(qiáng)，電子接受的能量愈多，釋放出去的電子的動(dòng)能也愈大(2)釋放電子主要決定于光強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)與頻率等沒(méi)有關(guān)系但是

6、，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果卻并不如此.(3)關(guān)于光照的時(shí)間問(wèn)題，波動(dòng)觀點(diǎn)更是陷于困境從波動(dòng)觀點(diǎn)來(lái)看，光能量是均勻分布，在它傳播的空間內(nèi)，由于電子截面很小，積累足夠能量而釋放出來(lái)必須要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間，合實(shí)驗(yàn)事實(shí)完全完全不符.3.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為了解釋光電效應(yīng)的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，1905年愛(ài)因斯坦推廣了普朗克關(guān)于能量子的概念前面已經(jīng)指出普朗克在處理黑體輻射問(wèn)題時(shí)，只是把器壁的振子能量量子化，腔壁內(nèi)部的輻射場(chǎng)仍然看作是電磁波然而愛(ài)因斯坦在光電效應(yīng)的研究中指出：光在傳播過(guò)程中具有波動(dòng)的特性，而在光和物質(zhì)相互作用的過(guò)程中，光能量是集中在一些叫做光量子(簡(jiǎn)稱(chēng)光子)的粒子上從光子的觀點(diǎn)來(lái)看，產(chǎn)生光電效應(yīng)的光是光子流

7、，單個(gè)光子的能量與頻率成正比即：式中h是普朗克常數(shù)把光子的概念應(yīng)用于光電效應(yīng)時(shí)，愛(ài)因斯坦還認(rèn)為一個(gè)光子的能量是傳遞給金屬中的單個(gè)電子的電子吸收一個(gè)光子后，把能量的一部分用來(lái)掙脫金屬對(duì)它的束縛，余下的一部分就變成電子離開(kāi)金屬表面后的動(dòng)能，按能量守恒和轉(zhuǎn)換定律應(yīng)有：上式稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程其中為光電子的動(dòng)能，W為光電子逸出金屬表面所需的最小能量，稱(chēng)為脫出功對(duì)光電效應(yīng)四個(gè)定律的解釋?zhuān)海?）光電效應(yīng)第一定律的解釋?zhuān)汗庾訑?shù)光電子數(shù) （2）光電效應(yīng)第二定律的解釋?zhuān)憾糁闺妷?，：逸出電位?）光電效應(yīng)第三定律的解釋?zhuān)汗怆娮觿?dòng)能不小于零（4）光電效應(yīng)第四定律的解釋?zhuān)汗庾幽芰侩娮?，無(wú)須能量積累時(shí)間1921年，

8、愛(ài)因斯坦因?qū)ξ锢韺W(xué)的貢獻(xiàn)，特別是光電效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)愛(ài)因斯坦理論的驗(yàn)證1916年，密立根進(jìn)行了精密的測(cè)量，證明確為直線，且直線的斜率為.1923年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)4.光子的質(zhì)量和動(dòng)量光子既具有一定的能量，就必須具有質(zhì)量但是光子以光的速度運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)便不適用按照狹義相對(duì)論質(zhì)量和能量的關(guān)系式 ，就可以決定一個(gè)光子的質(zhì)量在狹義相對(duì)論中，質(zhì)量和速度的關(guān)系為m0為靜止質(zhì)量，光子永遠(yuǎn)以不變的速度c運(yùn)動(dòng)，因而光子的靜止質(zhì)量必然等于零，否則m將為無(wú)窮大因?yàn)橄鄬?duì)于光子靜止的參照系是不存在的，所以光子的靜止質(zhì)量等于零也是合理的而原子組成的一般物質(zhì)的速度總是遠(yuǎn)小于光速的，故它們的靜止質(zhì)量不等于零在m0是否等于

9、零這一點(diǎn)上光子和普通的物質(zhì)有顯著的區(qū)別在狹義相對(duì)論中，任何物體的能量和動(dòng)量的關(guān)系為光子的靜止質(zhì)量為0，故光子的動(dòng)量為這是和光子的質(zhì)量為，速度為c.光電效應(yīng)明確了光的行為像粒子，并且可用動(dòng)力學(xué)的變量（動(dòng)量和能量）來(lái)描述粒子的行為； 在光和物質(zhì)相互作用過(guò)程中，光子是整體在起作用.另一方面，在討論衍射和干涉現(xiàn)象時(shí)，需要把光作為波動(dòng)來(lái)處理，于是用波長(zhǎng)來(lái)闡明問(wèn)題.波動(dòng)特征和粒子特征是互相對(duì)立的，但并不是矛盾的.光的波長(zhǎng)既適宜于顯示波動(dòng)特征，同時(shí)又也容易顯示粒子特征.對(duì)于電磁波譜的長(zhǎng)波段，表示其波動(dòng)特征的物理量T和較大，而表示其粒子特征的物理量和p 較小，因而容易顯示波動(dòng)特征，反之，對(duì)于電磁波譜的短波段，

10、表示其波動(dòng)特征的物理量T和 較小，而表示其粒子特征的物理量和p較大，因而容易顯示粒子特征.【例1】將一塊金屬板放在離單色點(diǎn)光源5米遠(yuǎn)的地方，光源的光功率輸出為10-3瓦.假設(shè)被打出的光電子可以從半徑為10-8米【解析】電子接受能量的靶面積為，半徑為5米的球面面積為 ，前者是后者的 ，故每秒投射于靶面積上的能量為 焦耳.打出一個(gè)電子需要能量5eV，即 焦耳，故積累這些能量需時(shí)秒=22.22小時(shí).實(shí)際上光電效應(yīng)是幾時(shí)的，根本不需要這么長(zhǎng)的時(shí)間.這說(shuō)明光與光電陰極電子的作用決不是經(jīng)典波動(dòng)模型中能量積累的那種形式【例2】若個(gè)光子的能量等于一個(gè)電子的靜能量，試問(wèn)該光子的動(dòng)量和波長(zhǎng)是多少？在電磁波譜中它是

11、屬何種射線？ 【解析】個(gè)電子的靜能量為m0c2，按題意光子的動(dòng)量光子的波長(zhǎng)因電磁波譜中射線的波長(zhǎng)在30010-4范圍內(nèi)，所以該光子在電磁波譜中屬于射線5.康普頓效應(yīng)(1)散射現(xiàn)象：光通過(guò)不均勻物質(zhì)時(shí)，向各個(gè)方向發(fā)射的現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：X射線金屬或石墨時(shí)，也有散射現(xiàn)象1922、1923年康普頓及其學(xué)生吳有順進(jìn)行了系統(tǒng)研究(2)實(shí)驗(yàn)裝置：如圖(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:a.散射光中除有與入射線波長(zhǎng)相同的，還有比大的波長(zhǎng)，隨散射角而異，增大時(shí)，的強(qiáng)度增加，的強(qiáng)度減小.b.當(dāng)散射角確定時(shí)，波長(zhǎng)的增加量與散射物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān).按經(jīng)典電磁理論，光的散射是帶電粒子在入射光電場(chǎng)作用下作受迫振動(dòng)，散射光與入射光應(yīng)該有相同波長(zhǎng).按

12、照光子理論，一個(gè)光子與散射物中的一個(gè)自由電子發(fā)生碰撞，散射光子將沿某一方向進(jìn)行康普頓散射，光子與電子之間碰撞遵守能量守恒和動(dòng)量守恒，電子受到反沖而獲得一定的動(dòng)量和動(dòng)能，因此散射光子能量要小于入射光子能量.由光子的能量與頻率間的關(guān)系可知，散射光的頻率要比入射光的頻率低，因此散射光的波長(zhǎng).如果入射光子與原子中被束縛得很緊的電子碰撞，光子將與整個(gè)原子作彈性碰撞（如乒乓球碰鉛球），散射光子的能量就不會(huì)顯著地減小，所以觀察到的散射光波長(zhǎng)就與入射光波長(zhǎng)相同.下圖為光子與自由電子彈性碰撞的示意圖.應(yīng)用相對(duì)論質(zhì)量、能量、動(dòng)量關(guān)系，有式中m0、m為電子的靜質(zhì)量和質(zhì)量，.將上式第二式寫(xiě)成分量式解以上聯(lián)立方程組，消

13、去，即得式中叫做電子的康普頓波長(zhǎng).上式表明與散射物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān).康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了光子論，證明了光子能量、動(dòng)量表示式的正確性，光確實(shí)具有波粒兩象性.另外證明在光電相互作用的過(guò)程中嚴(yán)格遵守能量、動(dòng)量守恒定律.在基元相互作用過(guò)程中，能量、動(dòng)量守恒.1927年，康普頓因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)【例1】求的可見(jiàn)光光子和的X射線光子的能量、動(dòng)量和質(zhì)量？,【例2】的X射線，射向靜止的自由電子，觀察方向，求：反沖電子的動(dòng)能和動(dòng)量？(, 或：)【例3】已知X光光子的能量為，在康普頓散射之后，波長(zhǎng)變化了20，求反沖電子的能量.()練習(xí)1.下列各物體，哪個(gè)是絕對(duì)黑體？A.不輻射可見(jiàn)光的物體B.不輻射任何光線的物體；C.不能反射可見(jiàn)光的物體D.不能反射任何光線的物