物理近代-1光電效應(yīng)

1、12-2光電效應(yīng)與的光量子理論一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律勒納德證明確實是電子!1887年發(fā)現(xiàn)紫外光逸出帶電粒子光電效應(yīng)：當(dāng)光（包括可見光在內(nèi)的電磁輻射）照到金屬表面時，電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。金屬光電效應(yīng)中產(chǎn)生的電子稱為“光電子”。1一、 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律逸出的光電子具有一定初動能AK加正向電壓時，具有一定初速度的光電子 在電場加速下向陽極A運動，就形成光電流。AK加反向電壓，AKiG下向陽極A運動光電子在電場V如果反向電壓小，光電子仍能到達(dá)陽極，形成光電流；當(dāng)反向電壓達(dá)到某值時，具有最大初動能的光電子也不能到達(dá)陽極A，就不能形成光電流。注意：不能以光電流的有無來判斷光電效應(yīng)是否發(fā)生，而應(yīng)以是

2、否有光電子逸出為判斷光電效應(yīng)是否發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)。21.紅限頻率的存在AiKGV3實驗還表明，不同金屬的紅限頻率不同。實驗表明，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一值 0時，才能從金屬表面電子。當(dāng)入射光的頻率 0時，無論光強多強、照射時間多長、加的正向電壓多大，都不會有光電生，即不能發(fā)生光電效應(yīng)。而 0的光都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。這一頻率 0稱為紅限頻率，相應(yīng)的光波長 0稱為紅限波長。2.光電流與正向電壓的關(guān)系iIAKiM 2飽和2i照射光強G光電流 V0U0當(dāng)用大于紅限頻率的某固定頻率的光照射某金屬時，光強一定時，光電流隨加速電壓的增加而增加；當(dāng)加速電壓增加到一定值時，光電流不再增加，im而是達(dá)到一飽和值。4飽和

3、現(xiàn)象說明，此時，時間內(nèi)從陰極K逸出的光電子已經(jīng)全部被陽極A接收。3. 飽和電流與入射光強的關(guān)系當(dāng)用大于紅限頻率的某固定頻率的光照射某金屬時，實驗表明，飽和電流 im 與光強I成正比。iAi飽和光電流KI2iM 2iM1I1GVI2I1照射光強U0 054 .截止電壓iAK飽和光電流I2iM 2iI1iM1GV I2I1照射光強UUc0 0當(dāng)反向（電壓）增加時，電流并不為零。僅當(dāng)反向電壓等于某值 Uc時，電流為零；再增加反向電壓，電流一直為零。這一電壓值 Uc稱為截止電壓。6截止電壓的存在說明，此時，從陰極K逸出的具有最大初動能的光電子，由于受到外加電場的阻礙，也不能到達(dá)陽極A了。根據(jù)能量分析，

4、得到光電子從陰極K逸出時的最大初動能與截止電壓的關(guān)系7mV 2 eUmc5.截止電壓與入射光頻率的關(guān)系UcAKNaCai5. 5GV7.5(1014Hz)Uo8Uc k U 0k 是普適常數(shù)與材料無關(guān)不同材料U0 值不同截止電壓與入射光頻率成線性關(guān)系。而且，對于不同的金屬材料，其直線平行。UcNaCa5. 57.5(10Hz)14Uo可見，入射光的頻率必須大于某一值，才能使 1 mV2 0，m2電子才能逸出金屬表面成為光電子，發(fā)生光電效應(yīng)。這一極限值就是紅限頻率9 U 00k1 mV 2 ek eU2m0Uc k U 0mV 2 eUmc6.光電效應(yīng)與光照時間的關(guān)系光電子的逸出，幾乎是在光照射

5、到金屬表面的那一刻發(fā)生的，109 s其延時在以下。即使用極弱的光，只要光頻率大于紅限頻率，光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎與光照時間無關(guān)。10二、光電效應(yīng)經(jīng)典理論解釋的的光子理論產(chǎn)生11光的波動理論在光電效應(yīng)的實驗結(jié)果上遇到了“”。經(jīng)典理論無法對光電效應(yīng)的本質(zhì)問題給出解釋經(jīng)典理論無法解釋：1光電子能否逸出，即無法解釋“紅限”問題。2光電子的初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光強無關(guān)。3光電子的逸出幾乎與光照時間無關(guān)經(jīng)典理論認(rèn)為：光是一種電磁波。三、此時而的光子理論還在尋找他的能量子的經(jīng)典理論根源，卻大大發(fā)展了他的能量子的概念。光量子假設(shè)（1905）：1電磁輻射是由以光速c 運動的局限于空間某一小范圍的

6、光的能量子單元 光子所組成， h光子能量2光量子具有 “整體性”光的發(fā)射、吸收都是量子化的。3 一束光就是以速率 c 運動的一束光子流。h NN：光子數(shù)通量光強I12四、光子理論對光電效應(yīng)的解釋一個光子將全部能量交給一個電子，電子克服金屬對它的從金屬中逸出。，由能量守恒一個電子逸出金屬表面后的最大初動能應(yīng)為A A：逸出功1312mvmh2Ah A 時，電子一次從光子處獲得能量，克服金屬的逸出功，從金屬表面逸出，能產(chǎn)生光電效應(yīng)；當(dāng) A/h時，電子一次從光子處獲得能量不足以克服金屬的逸出功，電子通過熱運動很快吸收的能量，不能從金屬表面逸出，不發(fā)生光電效應(yīng)。所以存在：紅限頻率14 A0h12mvmh

7、2I如果光強一定，時間內(nèi)到達(dá)陰極K的光子數(shù)一定，時間內(nèi)從陰極K上打落的光電子數(shù)一定。當(dāng)加速電壓較小時，由于其他的阻礙作用，從陰極K上打落的光電子并沒有全部到達(dá)陽極A，因此，光電流較弱。當(dāng)加速電壓逐漸增加時，能夠到達(dá)陽極A的光電子數(shù)隨之增加，因此，光電流隨加速電壓的增加而增加。當(dāng)時間內(nèi)從陰極K上打落的光電子全部被加速電壓運送到陽極A時，再增大加速電壓，能夠到達(dá)陽極A的光電子數(shù)不會增加了，im因此，存在飽和電流。15N NhI如果入射光強增大，時間內(nèi)到達(dá)陰極K的光子數(shù)隨之成正比增加，時間內(nèi)從陰極K上打落的光電子數(shù)隨之成正比增加。因此，飽和電流im 與光強 I成正比。16N NhA用大于紅限頻率的某

8、固定頻率的光照射某金屬時，從陰極K上打落的光電子還具有一定的初動能。盡管光電子的運動方向各異，但總還是有一部分光電子在沒有加速電壓的作用下，也會到達(dá)陽極A，從而形成光電流。如果加一個反向電壓，光電子向陽極A運動，則光電流就會減小。電壓達(dá)到某一數(shù)值Uc 時，當(dāng)反向連具有最大初動能（沿電場方向的最大初動量）的光電子都不能到達(dá)陽極A時，光電流才為零。1712mVmceU212mVm h2由于e 和 h都是與金屬材料無關(guān)的常數(shù)，A是與金屬材料有關(guān)的常數(shù)，因此，截止電壓與入射光頻率成線性關(guān)系。而且，直線的斜率 k h e 與金屬材料無關(guān)，對于所有金屬材料，直線是平行的；但由于金屬的逸出功 A 與金屬材料

9、有關(guān)，對于不同的金屬材料，直線的截距不同。18U h AceemV 2 h AmmV 2 eUmc一個電子一次吸收一個具有足夠能量的光子而逸出金屬表面是不需要多長時間的，因此，光電效應(yīng)的延遲時間極短。19的“光子”假說，完全解釋了光電效應(yīng)。光子概念被證明是正確的。一束光波就是一束光子流，光子能量 h光波在輻射、吸收過程中都是量子化的201916年密立根（R.A.Milikan）做了精確的光電效應(yīng)實驗，利用Uc 的直線斜率K，定出h = 6.5610-34J.s。1v m h2mA2 eK eUeUc0heK這和當(dāng)時用其他方法定出的h符合得很好。從而進(jìn)一步證實了的光子理論。 盡管如此，密立根還是

10、認(rèn)為光子理論是完全站不住腳的?？梢姡粋€新要們接受是相當(dāng)?shù)摹?11868 1953密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實驗，證明電1879 1955由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)， 獲得，獲得1923荷有最小1921年物理學(xué)獎年物理學(xué)獎五光的波粒二象性在19世紀(jì)，通過光的、衍射等實驗，人們已認(rèn)識到光是一種波動電磁波，并建立了光的電磁理論理論。進(jìn)入20世紀(jì)，從起，人們又認(rèn)識到光是粒子流光子流。23關(guān)于光的本性的全面認(rèn)識就是： 光既具有波動性，又具有粒子性在有些情況下，光突出地顯示出其波動性，而在另一些情況下，則突出地顯示出其粒子性。光的這種本性被稱為波粒二象性。光

11、既不是經(jīng)典意義上的“單純的”波，也不是經(jīng)典意義上的“單純的”粒子。24光的波動性用光波的波長和頻率描述，光的粒子性用光子的質(zhì)量 m 、能量和動量 p 描述。光子的相對論質(zhì)量c，而 m 是有限的，對于光子，V 0所以只能是 m0，即光子是質(zhì)量為零的一種粒子。由于光速不變，光子對于任何參考系都不會，所以在任何參考系中光子的質(zhì)量實際上都不會是零。E光子mhh質(zhì)量c 2c25 hm2cm m01 V 2c2光子的動量26光子p h h動量ccE 2 P 2c 2 m 2c 4m 0 h00p mc h光的波粒二象性粒子性波動性Eh、mm h波動性特征：粒子性特征：E 、c2h cp、hp波長大或波長小

12、或物小波動性突出物大粒子性突出光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的光作為粒子在空間中是集中而分立的于“概率波”27光電效應(yīng)的應(yīng)用由于光電效應(yīng)中的光電流與入射光強成正比，可用來實現(xiàn)光信號與電信號之間的相互轉(zhuǎn)換，應(yīng)用于、電視及其它現(xiàn)代通信技術(shù)。光電效應(yīng)的瞬時性，在自動控制和自動計數(shù)等方面也有極為廣泛的用途。(1)光電管和固態(tài)光電探測器 (2)光電倍增管光電成象器件光敏電阻28(1)光電管和固態(tài)光電探測器在密封的玻璃殼內(nèi)，中心的小球或環(huán)形物陽極A，涂在玻璃殼內(nèi)表面的銀、鉀或鋅等光電材料陰極K。在兩極之間接一電池組，當(dāng)光照射到陰極K上時，電路中就有光電流通過，飽和電流與照射光的功率之間有嚴(yán)格的線性關(guān)系， 這就可以把光強的變化無畸變地轉(zhuǎn)化成電流的變化，實現(xiàn)了光信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換。例如，可以把膠片上的音跡轉(zhuǎn)換成聲頻信號，在無線電傳真中把稿件和等轉(zhuǎn)換成電信號以便傳送29(2)光電倍增管光電倍增管中的陰極在光的照射下發(fā)射出光電子，電子光學(xué)系統(tǒng)使光電子在電場的作用下按預(yù)定軌道運動，在電子倍增系統(tǒng)(由1015個倍增陰極組成)上激發(fā)出的次級電子，最后被陽極收集形成陽極電流。光電倍增管可使光電陰極發(fā)出的481倍0，光電子數(shù)增至10在探測弱光等方面