-2光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光量子1論ppt課件

1、太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系16-2 16-2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛(ài)因斯坦的光量子論愛(ài)因斯坦的光量子論P(yáng)200,P200,一下一下3 3，4 4行行 早在早在18871887年年, ,德國(guó)物理學(xué)家赫茲第一個(gè)觀察到德國(guó)物理學(xué)家赫茲第一個(gè)觀察到用紫光照射的尖端放電特別容易發(fā)生，由于當(dāng)時(shí)用紫光照射的尖端放電特別容易發(fā)生，由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有電子的概念還沒(méi)有電子的概念, ,所以對(duì)其機(jī)制不是很清楚所以對(duì)其機(jī)制不是很清楚. .直直到到18971897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子. .人們才注意到一定頻人們才注意到一定頻率的光照射在金屬表面上時(shí)率的光照射在金屬表面上時(shí), ,有大量電子從表面逸有大量

2、電子從表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng). .產(chǎn)生的電子稱為光電產(chǎn)生的電子稱為光電子。由光電子形成的電流叫光電流。子。由光電子形成的電流叫光電流。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.1.光電效應(yīng)光電效應(yīng)太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系16-2 16-2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛(ài)因斯坦的光量子論愛(ài)因斯坦的光量子論P(yáng)200,P200,一下一下3 3，4 4行行 當(dāng)光照射在金屬表面上時(shí)當(dāng)光照射在金屬表面上時(shí), ,電子從金屬表面電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng). .逸出的電子稱為逸出的電子稱為光電子。由光電子形成的電流叫光電流。光電子。由光

3、電子形成的電流叫光電流。 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.1.光電效應(yīng)光電效應(yīng) 1887 1887年年, ,赫茲用萊頓瓶做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)注意到赫茲用萊頓瓶做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)注意到, ,有有紫外線照在火花隙的負(fù)極上紫外線照在火花隙的負(fù)極上, ,放電就比較容易發(fā)生。放電就比較容易發(fā)生。 直到直到18971897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子之后年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子之后, ,勒納德證明了勒納德證明了光電效應(yīng)中發(fā)出的是電子光電效應(yīng)中發(fā)出的是電子. .太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系2.2.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置P200,P200,圖圖16-416-4BAS S 光通過(guò)石英窗口光通過(guò)石英窗口照射到陰極照射到陰極K K

4、，光電，光電子從陰極表面逸出子從陰極表面逸出. . 光電子在電場(chǎng)加速光電子在電場(chǎng)加速下向陽(yáng)極下向陽(yáng)極A A運(yùn)動(dòng)，形成運(yùn)動(dòng)，形成光電流光電流 。 S為光電管為光電管;太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系演示實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系1)飽和光電流強(qiáng)度飽和光電流強(qiáng)度Is與入射光強(qiáng)成正比，與頻率無(wú)關(guān)。與入射光強(qiáng)成正比，與頻率無(wú)關(guān)。is1S3 is2is1Is3Is1Is2UIs3 Is2 Is10UiP200, P200, 3.3.實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律a)a)、S S一定，改變一定，改變U Ub)一定、改變一定、改變S，飽和光電流飽和光電流 IsS (S3 S2 S1 ) 當(dāng)光電流

5、達(dá)到飽和時(shí)，陰極當(dāng)光電流達(dá)到飽和時(shí)，陰極 K K上逸出的光電子全上逸出的光電子全部飛到了陽(yáng)極部飛到了陽(yáng)極A A上上 P201, P201, 圖圖16-516-5a)a)太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系P201,16.12P201,16.12式式 設(shè)設(shè)n為陰極為陰極K單位時(shí)間內(nèi)釋放出的電子數(shù)，那單位時(shí)間內(nèi)釋放出的電子數(shù)，那么么 Is= n e ,與光頻率無(wú)關(guān)。與光頻率無(wú)關(guān)。結(jié)論結(jié)論1：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。P201,16.12P201,16.12式下第式下第2 2行行例例1 ZP28,2,(1 ZP28,2,

6、(考點(diǎn)考點(diǎn)5 5）即即 n S 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系例例2 2 （考點(diǎn)（考點(diǎn)1414）太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系2)2)光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。由圖知強(qiáng)無(wú)關(guān)。由圖知: :兩極間電壓兩極間電壓U=0U=0時(shí)，光電流并不為零時(shí)，光電流并不為零, ,說(shuō)明說(shuō)明從陰極出來(lái)電子具有一定初動(dòng)能從陰極出來(lái)電子具有一定初動(dòng)能; ;當(dāng)兩極間加一反向電壓當(dāng)兩極間加一反向電壓U U =-U0 0=-U0 2 1P201,P201,0U 為與金屬材料性質(zhì)無(wú)關(guān)的普適常量為與金屬材料性質(zhì)無(wú)關(guān)的普適常量實(shí)驗(yàn)表明：

7、實(shí)驗(yàn)表明： 為與金屬材料性質(zhì)有關(guān)的常量212mmeevP201,16.15P201,16.15式式S一定一定,改變改變，U0。太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系2)2)光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增加而增加光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。P201,P201,isIo0UU當(dāng)電壓當(dāng)電壓U=0U=0時(shí)時(shí), ,光電流并不為零；光電流并不為零；說(shuō)明：從陰極逸出的光電子具有初動(dòng)能。說(shuō)明：從陰極逸出的光電子具有初動(dòng)能。U0 截止電壓遏止電壓）。截止電壓遏止電壓）。只有當(dāng)兩極間加一反向電壓只有當(dāng)兩極間加一反向電壓U =-U00U =-U02 1S一定一定,

8、改變改變，U0。212mmeevP201,16.15P201,16.15式式P201,P201,圖圖16.516.5b b） 結(jié)論結(jié)論2：光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成：光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。線性關(guān)系，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。解釋教材解釋教材P201圖圖16.5b)實(shí)驗(yàn)：說(shuō)明截止電壓實(shí)驗(yàn)：說(shuō)明截止電壓U0 和入射光的頻率之成線性關(guān)系和入射光的頻率之成線性關(guān)系,與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。2012mmeUv太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系3) 對(duì)一種給定的材料，存在一個(gè)截止頻率 0 ，低于此截止頻率時(shí)，不管入射光的強(qiáng)度有多大，均不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。稱為此種

9、材料的截止頻率或紅限。稱為此種材料的截止頻率或紅限。結(jié)論結(jié)論3: 金屬的光電效應(yīng)有一截止頻率金屬的光電效應(yīng)有一截止頻率(紅限紅限)與與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)入射光強(qiáng)無(wú)關(guān).201()02mmeUev00得得 因因0P201, P201, P202,P202,第第5 5行行太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系0討論：將材料的截止頻率或紅限討論：將材料的截止頻率或紅限2001()2()()mmeUeee v 當(dāng)當(dāng) = = 0 0 時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能為零。為零。 假設(shè)假設(shè) 電子的束縛能電子的束縛能 電子看作是自電子看作是自由電子；由電子； 因光子能量因光子能量 電子熱運(yùn)動(dòng)能電子熱運(yùn)動(dòng)能

10、量量 電子看作電子看作 碰碰前靜止。前靜止。 物理圖象：一個(gè)入射物理圖象：一個(gè)入射X X光子與一個(gè)原來(lái)靜止的光子與一個(gè)原來(lái)靜止的 自由電子彈性碰撞自由電子彈性碰撞 滿足能量、動(dòng)量守恒。滿足能量、動(dòng)量守恒。太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系2 2定量分析定量分析chP/00ePmuchP/反沖電子反沖電子入射光子：能量入射光子：能量h h0 0 動(dòng)量動(dòng)量 p0 = h p0 = h0/c 0/c 碰前電子：碰前電子： m0c2 pe=0 m0c2 pe=0散射光子：散射光子： h h p = h p = h /c /c 碰后電子：碰后電子： mc2 pe =mu mc2 pe =mu 如下圖，

11、一個(gè)光如下圖，一個(gè)光子和一個(gè)靜止的自子和一個(gè)靜止的自由電子作完全彈性由電子作完全彈性碰撞。此電子稱為碰撞。此電子稱為反沖電子。反沖電子。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系由能量守恒由能量守恒: :由動(dòng)量守恒由動(dòng)量守恒: :2200mchcmh00hhnnmucc可得可得200(1 cos ) 2 sin2chmc P206,16.24式式散射角散射角 :入射入射X射線方向與散射射線方向與散射X射線方向間的夾角。射線方向間的夾角。此式說(shuō)明：波長(zhǎng)改變與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)此式說(shuō)明：波長(zhǎng)改變與散射物質(zhì)無(wú)關(guān), ,僅決定于散僅決定于散射角；波長(zhǎng)改變隨散射角增大而增加。射角；波長(zhǎng)改變隨散射角增大而增加。 m1

12、043. 2120cmhc電子的康普頓波長(zhǎng)。電子的康普頓波長(zhǎng)。太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系練考點(diǎn)練考點(diǎn)21練考點(diǎn)練考點(diǎn)21太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系4. 4. 康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)的意義支持了光子理論；證明了支持了光子理論；證明了X X射線的粒子性及光子具射線的粒子性及光子具有一定的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、能量有一定的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、能量和動(dòng)量；證實(shí)了普朗克和動(dòng)量；證實(shí)了普朗克愛(ài)因斯坦關(guān)系式定量上的愛(ài)因斯坦關(guān)系式定量上的正確性；而且還證明了在正確性；而且還證明了在微觀的單個(gè)碰撞事件中，微觀的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒律仍然是動(dòng)量和能量守恒律仍然是成立的。成立的。康普頓康普頓A.H.Co

13、mpton 1892-1962 A.H.Compton 1892-1962 美國(guó)物理學(xué)家由于發(fā)現(xiàn)康普頓效美國(guó)物理學(xué)家由于發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)于應(yīng)于19271927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系解解1 1）)cos1 (CCC)90cos1 ( 例例 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 的的X射線與靜止的自由電子作彈射線與靜止的自由電子作彈性碰撞性碰撞,在與入射方向成在與入射方向成 角的方向上觀察角的方向上觀察, 求求:（1散射波長(zhǎng)的改變量散射波長(zhǎng)的改變量 為多少？為多少？m101.00-10090（3 3反沖電子的動(dòng)能為多少？反沖電子的動(dòng)能為多少？m1043. 2122200mchc

14、mh光子與電子碰撞過(guò)程中能量守恒光子與電子碰撞過(guò)程中能量守恒 例例4 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 的的X射線與靜止的自由電子作彈射線與靜止的自由電子作彈性碰撞性碰撞,在與入射方向成在與入射方向成 角的方向上觀察角的方向上觀察, 求求:（1散射波長(zhǎng)的改變量散射波長(zhǎng)的改變量 為多少？為多少？90（2 2散射后散射后X X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng)為多少？為多少？1001.02 10m 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系反沖電子的動(dòng)能反沖電子的動(dòng)能 光子損失的能量反沖電子的動(dòng)能光子損失的能量反沖電子的動(dòng)能2200000(1)295eVkEmcm chhhchchcc（4 4在碰撞中，光子的能量損失了多少？在碰撞中，光子的

15、能量損失了多少？00kEEEhh或根據(jù)能量守恒，反沖電子的動(dòng)能入射光子的或根據(jù)能量守恒，反沖電子的動(dòng)能入射光子的能量與散射光子的能量差，即能量與散射光子的能量差，即太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系解解1 1）)cos1 (CCC)90cos1 ( 例例 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 的的X射線與靜止的自由電子作彈射線與靜止的自由電子作彈性碰撞性碰撞,在與入射方向成在與入射方向成 角的方向上觀察角的方向上觀察, 求求:（1散射波長(zhǎng)的改變量散射波長(zhǎng)的改變量 為多少？為多少？m101.00-10090（3 3反沖電子的動(dòng)能為多少？反沖電子的動(dòng)能為多少？m1043. 212 例例4 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 的的X射線與靜止的自由電

16、子作彈射線與靜止的自由電子作彈性碰撞性碰撞,在與入射方向成在與入射方向成 角的方向上觀察角的方向上觀察, 求求:（1散射波長(zhǎng)的改變量散射波長(zhǎng)的改變量 為多少？為多少？90（2 2散射后散射后X X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng)為多少？為多少？1001.02 10m 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系光子損失的能量反沖電子的動(dòng)能光子損失的能量反沖電子的動(dòng)能（4 4在碰撞中，光子的能量損失了多少？在碰撞中，光子的能量損失了多少？根據(jù)能量守恒，反沖電子的動(dòng)能入射光子的能根據(jù)能量守恒，反沖電子的動(dòng)能入射光子的能量與散射光子的能量差，即量與散射光子的能量差，即0000(1)295eVkEhhhchchc太原理工

17、大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系五、光的波粒二象性五、光的波粒二象性1. 近代關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí)近代關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí) 光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。波粒二象性。波動(dòng)性：光是電磁波，有干涉、衍射現(xiàn)象。波動(dòng)性：光是電磁波，有干涉、衍射現(xiàn)象。粒子性：光是光子流，有黑體輻射、光電效應(yīng)、粒子性：光是光子流，有黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象。光子具有粒子的一切屬性康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象。光子具有粒子的一切屬性- 質(zhì)量、能量和動(dòng)量。質(zhì)量、能量和動(dòng)量。 有些情況下有些情況下(傳播過(guò)程中，能量小傳播過(guò)程中，能量小)波動(dòng)性突出；波動(dòng)性突出；有些情況下有些情況

18、下(和物質(zhì)相互作用時(shí)，能量、動(dòng)量大和物質(zhì)相互作用時(shí)，能量、動(dòng)量大)粒子性突出。粒子性突出。但是，光既不是經(jīng)典的波，也不是經(jīng)典的粒子。但是，光既不是經(jīng)典的波，也不是經(jīng)典的粒子。太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系描述波動(dòng)性的物理量：波長(zhǎng)描述波動(dòng)性的物理量：波長(zhǎng) 、頻率、頻率 、周期、周期T描述粒子性的物理量：能量描述粒子性的物理量：能量 E 、質(zhì)量、質(zhì)量m、動(dòng)量、動(dòng)量P2.基本關(guān)系式基本關(guān)系式 可見(jiàn)，光的這兩種性質(zhì)借助普朗克常量可見(jiàn)，光的這兩種性質(zhì)借助普朗克常量h定量地定量地聯(lián)系在一起。聯(lián)系在一起。光子的能量光子的能量光子的質(zhì)量光子的質(zhì)量22Ehmcc光子的動(dòng)量光子的動(dòng)量Ehhpcc2Ehmcp

19、c表達(dá)表達(dá)光的波粒二象性可以從光的波粒二象性可以從太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 光作為電磁波是彌光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的，散在空間而連續(xù)的，光作為粒子在空間中光作為粒子在空間中是集中而分立的。如是集中而分立的。如何統(tǒng)一呢何統(tǒng)一呢 ? ?兩者統(tǒng)一于概率波兩者統(tǒng)一于概率波理論。理論。3. 波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一B作業(yè)作業(yè)P216,7,12,14太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系單縫衍射單縫衍射 光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比成正比, ,光子數(shù)光子數(shù) N N I I E02 E02光子是分立的，光強(qiáng)分布可以是連續(xù)

20、的。光子是分立的，光強(qiáng)分布可以是連續(xù)的。光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定。光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定。光子在某處出現(xiàn)的概率大，則該處的光強(qiáng)光子在某處出現(xiàn)的概率大，則該處的光強(qiáng)I 大；大；光子在某處出現(xiàn)的概率小，則該處的光強(qiáng)光子在某處出現(xiàn)的概率小，則該處的光強(qiáng)I ??；??；太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系附：普朗克常數(shù)附：普朗克常數(shù)h h的測(cè)定的測(cè)定0U02012mmveU將將代代入入上上式式0UehU0eUh0愛(ài)因斯坦方程愛(ài)因斯坦方程hmm221v0eUheehU0太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間

21、做了“光光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在19151915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h h 的值與理論值完全一致，又一次證明了的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子理論的正確。理論的正確。附：光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證附：光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證數(shù)據(jù)取自數(shù)據(jù)取自R.A.Millikan,Physical Review,7,362(1916)太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系附：普朗克常數(shù)附：普朗克常數(shù)h h的測(cè)定的測(cè)定0U02012mmveU將將代代入入上上式式0UehU0eUh0愛(ài)因斯坦方程愛(ài)因斯坦方程hmm221v0eUheehU0太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系附：多光子光電效應(yīng)附：多光子光電效應(yīng) 在愛(ài)因斯坦最初研究光電效應(yīng)時(shí)，并沒(méi)有考慮在愛(ài)因斯坦最初研究光電效應(yīng)時(shí)，并沒(méi)有考慮到多光子吸收即一個(gè)電子吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上光到多光子吸收即一個(gè)電子吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上光子的情況。但在激光出現(xiàn)后，實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了新的子的情