2.光電效應(yīng)與光的量子說

第二節(jié)光電效應(yīng) 光的干涉 衍射現(xiàn)象說明了光是電磁波 光的偏振現(xiàn)象進(jìn)一步說明光還是橫波 19世紀(jì)60年代 麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì) 然而 出人意料的是 正當(dāng)人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候 又發(fā)現(xiàn)了用波動說無法解釋的新現(xiàn)象 光電效應(yīng)現(xiàn)象 對這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問題的研究 使得人們對光的又一本質(zhì)性認(rèn)識得到了發(fā)展 用弧光燈照射擦得很亮的鋅板 注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連 使驗電器張角增大到約為30度時 再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板 則驗電器的指針張角會變大 一 光電效應(yīng)現(xiàn)象 表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電 1 什么是光電效應(yīng) 當(dāng)光線照射在金屬表面時 能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象 稱為光電效應(yīng) 逸出的電子稱為光電子 光電子定向移動形成的電流叫光電流 2 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 1 存在飽和電流 光照不變 增大UAK G表中電流達(dá)到某一值后不再增大 即達(dá)到飽和值 因為光照條件一定時 K發(fā)射的電子數(shù)目一定 實驗表明 入射光越強(qiáng) 飽和電流越大 單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多 電壓一定時 電流也越大 思考 為什么要加正向電壓 不加正向電壓電路中有電流嗎 分析解答 光束照在陰極K上會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象 但只有極少的電子能到達(dá)陽極A 電路中電流很小 加了正向電壓后 大量的電子在電場力的作用下向陽極運動 形成較大電流 加正向電壓的目的是放大實驗效果 增強(qiáng)實驗 可見性 思考 保持光照條件不變 逐漸加大兩極之間的電壓 大家分析光電流會怎樣變化 使光電流減小到零的反向電壓 一一一一一一 v 加反向電壓 如右圖所示 光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反 光電子作減速運動 若 最大的初動能 U 0時 I 0 因為電子有初速度 則I 0 式中UC為遏止電壓 2 存在遏止電壓和截止頻率 存在遏止電壓UC U K A 實驗表明 對于一定顏色 頻率 的光 無論光的強(qiáng)弱如何 遏止電壓是一樣的 光的頻率 改變時 遏止電壓也會改變 光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān) 與入射光的強(qiáng)弱無關(guān) 同種材料 思考 對剛才的實驗 加了遏止電壓后 如果再增大入射光的強(qiáng)度 電路中會有光電流嗎 減弱光的強(qiáng)度 遏止電壓會減小嗎 經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn) 當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值時 即使不施加反向電壓也沒有光電流 這表明已經(jīng)沒有光電子了 這一數(shù)值稱為截止頻率或極限頻率 存在截止頻率 c 對于每種金屬 都相應(yīng)確定的截止頻率 c 當(dāng)入射光頻率 c時 電子才能逸出金屬表面 當(dāng)入射光頻率 c時 無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面 實驗結(jié)果 即使入射光的強(qiáng)度非常微弱 只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率 電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn) 更精確的研究推知 光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過10 9秒 這個現(xiàn)象一般稱作 光電子的瞬時發(fā)射 光電效應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成 3 具有瞬時性 電子是怎樣吸收入射光的能量的呢 思考 如果入射光的頻率超過截至頻率 做兩次實驗 第一次用很弱的光照射 第二次用很強(qiáng)的光照射 都能立刻有電流產(chǎn)生嗎 光電效應(yīng)實驗表明 1 只要頻率高于截止頻率 即使光強(qiáng)很弱也有光電流 頻率低于截止頻率 無論光強(qiáng)再大也沒有光電流2 光強(qiáng)決定光電流的大小 3 光電子的最大初動能與入射光頻率呈線性關(guān)系 與光強(qiáng)無關(guān) 4 光電效應(yīng)具有瞬時性 而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上吸收能量要時間 即需要能量積累的過程 1 光子 光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的 頻率為 的光的能量子為h 這些能量子后來被稱為光子 愛因斯坦的光子說 愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā) 他提出 三 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 2 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 光電子最大初動能 金屬的逸出功 W0 一個電子吸收一個光子的能量h 后 一部分能量用來克服金屬的逸出功W0 剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek 即 3 光子說對光電效應(yīng)的解釋 愛因斯坦方程表明 光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系 與光強(qiáng)無關(guān) 只有當(dāng)h W0時 才有光電子逸出 就是光電效應(yīng)的截止頻率 電子一次性吸收光子的全部能量 不需要積累能量的時間 光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的 對于同種顏色 頻率相同 的光 光較強(qiáng)時 包含的光子數(shù)較多 照射金屬時產(chǎn)生的光電子多 因而飽和電流大 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng) 但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn) 因為它完全違背了光的波動理論 4 光電效應(yīng)理論的驗證 美國物理學(xué)家密立根 花了十年時間做了 光電效應(yīng) 實驗 結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程 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 愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎 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 證明電荷有最小單位 獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎 光的粒子性 一 光電效應(yīng)的基本規(guī)律 小結(jié) 1 光電效應(yīng)現(xiàn)象 2 光電效應(yīng)實驗規(guī)律 對于任何一種金屬 都有一個極限頻率 入射光的頻率必須大于這個極限頻率 才能發(fā)生光電效應(yīng) 低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng) 當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時 光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比 光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān) 只隨著入射光的頻率增大而增大 入射光照到金屬上時 光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的 一般不超過10 9秒 1 在演示光電效應(yīng)的實驗中 原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連 用弧光燈照射鋅板時 驗電器的指針就張開一個角度 如圖所示 這時 A 鋅板帶正電 指針帶負(fù)電B 鋅板帶正電