大學(xué)物理光電效應(yīng)1課件

當(dāng)光線(xiàn)照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電效應(yīng)。逸出的電子稱(chēng)為光電子。§15-2

光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光量子理論一、光電效應(yīng)陽(yáng)極陰極石英窗

光線(xiàn)經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極陰極

將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。

當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Ue時(shí)，光電流恰為0。Ue稱(chēng)遏止電壓。遏止電壓Ue(2)存在截止頻率c----極限（紅限）頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c當(dāng)入射光頻率

>c

時(shí)，電子才能逸出金屬表面當(dāng)入射光頻率

<c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。(3)光電效應(yīng)是瞬時(shí)的三、經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

按照經(jīng)典波動(dòng)理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說(shuō)，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流。

光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。

為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。

在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能Ek

。由能量守恒可得出：1.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程A:為電子逸出金屬表面所需做的功，稱(chēng)為逸出功；

為光電子的最大初動(dòng)能。

當(dāng)＜A/h時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。紅限頻率光強(qiáng)I光子數(shù)N打出光電子多光電流大h>A時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。

光子打出光電子是瞬時(shí)發(fā)生的。愛(ài)因斯坦方程光量子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實(shí)驗(yàn)規(guī)律！例題

波長(zhǎng)為4000的單色光照射在逸出功為2.0的金屬材料上，求：光電子的初動(dòng)能，截止電壓，紅限頻率解：由光電效應(yīng)方程：截止電壓紅限頻率由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。3.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1923年康普頓在做X射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中除有與入射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的射線(xiàn)外，還有比入射線(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)，把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“康普頓效應(yīng)”一、康普頓效應(yīng)二.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置晶體

光闌X射線(xiàn)管探測(cè)器

石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長(zhǎng)(1)散射光中除有與入射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的，還有比入射線(xiàn)波長(zhǎng)大的波長(zhǎng)稱(chēng)為電子的Compton波長(zhǎng)波長(zhǎng)的偏移只與散射角有關(guān)，與散射物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。c=0.0241?=2.4110-3nm（實(shí)驗(yàn)值）實(shí)驗(yàn)結(jié)果三、經(jīng)典電磁理論的困難射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，

根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通X射線(xiàn)光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞

碰撞過(guò)程中能量與動(dòng)量守恒四、康普頓效應(yīng)的理論解釋碰撞→光子把部分能量傳給電子

→光子的能量散射X射線(xiàn)的頻率，波長(zhǎng)

波長(zhǎng)1?的X射線(xiàn)：光子外層電子束縛能,室溫下kT~10-2eV，所以外層電子近似可看成是靜止的。e自由電子(靜止)m0h光子:

能量動(dòng)量碰撞前碰撞后

能量動(dòng)量電子:能量守恒:h0+m0c2=h+mc2動(dòng)量守恒:0em0五、康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義支持了“光量子”概念，進(jìn)一步證實(shí)了首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦提出的“光量子具有動(dòng)量”的假設(shè)：證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。P=E/c=h/c=h/=h1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(xiàn)(0=5.62nm)為入射線(xiàn),以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線(xiàn)散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977）吳有訓(xùn)中國(guó)近代物理學(xué)奠基人教育家例:設(shè)有波長(zhǎng)為=1.0010-10m的X射線(xiàn)的光子與自由電子作彈性碰撞.散射X射線(xiàn)的散射角=90,問(wèn)(1)散射波長(zhǎng)與入射波長(zhǎng)的改變量為多少