爱因斯坦光量子理论.ppt

大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 15.2 15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论一、光电效应的实验规律金属及其化合物在光照射下发射电子的现 象称为光电效应逸出的电子为光电子，所测 电流为光电流光电效应现象是德国物理学家赫兹于1887 年研究电磁波的性质时偶然发现的当时赫兹只是注意到用紫外线照射在放电 电极上时，放电比较容易发生，却不知道这一 现象产生的原因1大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 爱因斯坦(Einstein)UAkGT KA入射 光线 1.实验原理 T 为真空管， K 为 发射电子的阴极， A 为 阳极，用一定频率和强 度的单色光照射K时, 金 属将释放出光电子， 若 在两极 上加一定的电压 U , 则回路中就出现光 电流2大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 伏安曲线 2.实验规律 （1）光电流 阴极 K 在单位时间内发射的光电 子数与入射光的强度 I 成 正比光电流I 随UAK增大 而增大，趋于饱和值 is， 光电流与单位时间从阴 极发射的光电子数成正 比3大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 （2）截止频率 对一定金属，只有入射光 的频率大于某一频率ν0时, 电子才能从该金属 表面逸出，这个频率叫 （红限）。

如果入射光的频率小于截止频率则无论入 射光强度多大，都没有光电子逸出4大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 几种金属的逸出功和红线 不同物质的红线不同，多数金属的红线在 紫外区5大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 （3）遏制电压 当UAK=0时， I≠0 因为 从阴极发出的光电子具有一定的初动能，它可 以克服减速电场而到达阳极当 UAK ＜0 并达 到一定值时, I = 0, 此时电压称为遏制电压Ua 表明在此电压下，逸出金属后具有最大动能的 光电子也不能到达阳极 此时有 6大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 （4）瞬时性 光电效应具有瞬时性，响应 速度很快，延迟时间不超过10-9秒遏制电压与照射光的频率成线性关系7大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 1.经典理论认为光强越大，饱和电流应该 大，光电子的初动能也该大但实验上饱和电 流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初 动能也与频率有关2.经典理论认为有无光电效应不应与频率 有关但实验上光电流与红限有关二、经典物理解释的困难3.在瞬时性上，经典理论认为光能量分布 在波面上，吸收能量需要时间，即光电子逸出 金属表面所需能量应有一段时间的积累过程。

8大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 三、爱因斯坦光子假说和光电效应方程一束光是一束以光速运动的粒子流，这些 粒子称为光子； 频率为v 的每一个光子所具有 的能量为 hv , 它不能再分割，只能整个地被吸 收或产生出来1.光子假说 爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上进 一步提出了光子假设 光子：9大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 2.光电效应方程按照光子假说, 并根据能量守恒定律, 当金 属中一个电子从入射光中吸收一个光子后，获 得能量 hv ，如果hv 大于该金属的电子逸出功A ，这个电子就能从金属中逸出，并且有—— 爱因斯坦光电效应方程式中 是光电子的最大初动能 10大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 3.爱因斯坦对光电效应的实验解释（1）入射光的强度 I 取决于单位时间内垂 直通过单位面积的光子数 n 入射光较强时，含有的光子数较多，所以 获得能量而逸出的电子数也多，饱和电流自然 也就大 （2）当 时, 电子无法获得足够能量 脱离金属表面，因此存在红限 11大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 （3）根据遏止电压与入射光的频率成正比，比例系 数与材料的性质无关。

得 （4）入射光中光子的能量被金属表面的电 子一次吸收，因此具有瞬时性12大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 1916年美国实验物理学家密立根，利用光 电效应测定了普朗克常量 h ，从而证实了爱因 斯坦光子论的正确性密立根根据截止电压 与入射光的频率成正比关 系，得到如图所示的 Ua～ ν直线红限对于金属钠，该直线 的斜率为13大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 由爱因斯坦方程利用两边取微分,得爱因斯坦方程写成通过计算可得此值与公认值 较接近14大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 由于爱因斯坦在理论物理方面的成就和发现光电效应规律；密立根在基本电荷和光电效 应方面的工作，两位物理学家分别于1921年和 1923年获得诺贝尔物理学奖15大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 四、光（电磁辐射）的波粒二象性 光子动量光子能量光子质量光具有波粒二象性光在传播过程中，波 动性比较显著，光在与物质相互作用时（发射 和吸收），粒子性比较显著16大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 五、光电效应的应用 利用光电效应可以制成光电成像器件，能 将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可 观察记录、传输、储存的图像。

例如，红外变像管可以使红外辐射图像转 变为可见光图像像增强器可以把夜间微弱光学图像增强为 高亮度可见光学图像光电倍增管可以将微弱光信号转换成可测 电信号17大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 解例1波长为 450 nm 的光照射到金属表面 求（1）光子的能量和动量；（2）光电子的逸 出动能；（3）如果光子的能量为 2.40eV ,其波 长为多少？以电子伏特为能量单位, 则 （1）光子能量 18大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 光子的动量（2） 由爱因斯坦方程金属钠的逸出功 A = 2.28 eV（3） 如果光子能量为 2.40 eV, 则波长 19大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 解 例2 钾的光电效应红限为0= 6.210-7m 求（1）电子的逸出功；（2）在波长为3.0 10-7m的紫外线照射下, 遏 止电压为多少？（3）电子的初速度为多少？ （1）逸出功 20大学物理 第三次修订本第15章 量子物理基础 （2）利用 遏止电压 （3）电子的初速度 21。