郁道銀光電效應(yīng)_愛因斯坦方程

1、1光電效應(yīng)光電效應(yīng)guineafowl河豚 太平洋 西巴布亞島一個發(fā)光的珊瑚 瑰麗海底生物 海洋生物放射五彩熒光 瑰麗海底生物夏威夷基拉韋厄火山意大利斯特隆布利式火山噴發(fā) 蒼蠅幼蟲甘肅省張掖市臨澤縣倪家營鎮(zhèn)南臺子村 12光電效應(yīng)光電效應(yīng) 在一定頻率光的照射下，金屬或其化合物表在一定頻率光的照射下，金屬或其化合物表面發(fā)出電子的現(xiàn)象叫做面發(fā)出電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)光電效應(yīng)。發(fā)射出來的電。發(fā)射出來的電子叫子叫光電子光電子。13赫茲赫茲 德 國 物 理 學(xué) 家 赫 茲德 國 物 理 學(xué) 家 赫 茲（Heinrich Rudolf HertzHeinrich Rudolf Hertz，1857-1894

2、1857-1894）18871887年在實驗中年在實驗中首次發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。首次發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。 德國物理學(xué)家普朗克（德國物理學(xué)家普朗克（Max Karl Max Karl Ernst Ludwig PlanckErnst Ludwig Planck，1858-19471858-1947）在）在19001900年創(chuàng)立了量子假說，即物質(zhì)輻射（或年創(chuàng)立了量子假說，即物質(zhì)輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍。他引進(jìn)了一個物（能量量子）的整數(shù)倍。他引進(jìn)了一個物理普適常數(shù)，即理普適常數(shù)，即普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)，是微觀現(xiàn)象，是微觀現(xiàn)象量子特性的表

3、征。量子特性的表征。普朗克普朗克一一 歷史背景歷史背景14 德國科學(xué)家愛因斯坦（德國科學(xué)家愛因斯坦（Albert Albert EinsteinEinstein，1879-19551879-1955）在普朗克的量）在普朗克的量子假設(shè)基礎(chǔ)上，給出了子假設(shè)基礎(chǔ)上，給出了光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程，成功解釋了光電效應(yīng)的全部實驗規(guī)律。成功解釋了光電效應(yīng)的全部實驗規(guī)律。（獲（獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎）年諾貝爾物理學(xué)獎） 1916 1916年美國物理學(xué)家羅伯特年美國物理學(xué)家羅伯特密立密立根根(Robert Andrews Millikan,1868(Robert Andrews Millikan,

4、18681953)1953)歷經(jīng)十年，發(fā)表了光電效應(yīng)實驗歷經(jīng)十年，發(fā)表了光電效應(yīng)實驗結(jié)果，驗證了愛因斯坦的光量子說。結(jié)果，驗證了愛因斯坦的光量子說。（獲（獲19231923年諾貝爾物理學(xué)獎）年諾貝爾物理學(xué)獎）密立根密立根愛因斯坦愛因斯坦15二二 光電效應(yīng)光電效應(yīng)實驗規(guī)律：實驗規(guī)律： 光照射光照射在金屬在金屬K上，有電子上，有電子逸出逸出，在電場作用下飛向陽，在電場作用下飛向陽極極A，成為光電流，成為光電流iP。1SI2SI3SIHipiU飽飽和和電電流流遏止電壓遏止電壓UaVA入射光強度入射光強度16飽和：飽和：從從K射出的電子全部飛向射出的電子全部飛向 陽極陽極A，形成飽和電流。，形成飽和電

5、流。設(shè)單位時間從設(shè)單位時間從K飛出飛出n個電子，個電子，則：則：eniIHS 經(jīng)典物理的解釋：電子從金經(jīng)典物理的解釋：電子從金屬中逸出要克服阻力作功。屬中逸出要克服阻力作功。光強越大，光強越大，光振輻光振輻E0越大，越大，受強迫的電子振動動能越大，受強迫的電子振動動能越大，能克服阻力逸出金屬表面的能克服阻力逸出金屬表面的電子越多。故與光強成正比。電子越多。故與光強成正比。1 1 第一定律：第一定律：當(dāng)入射頻率一定時，飽和電流飽和電流iH與入射光強與入射光強IS成正比。成正比。1SI2SI3SIHipiU)(飽和飽和Hi piU17實驗表明：實驗表明：當(dāng)當(dāng)U=0，乃至，乃至U0時，即電場阻止電子

6、飛向陽極，時，即電場阻止電子飛向陽極，但仍有電子飛向陽極，說明光但仍有電子飛向陽極，說明光電子有電子有初動能初動能。當(dāng)反向電壓增至一定值當(dāng)反向電壓增至一定值Ua時，光電流時，光電流0 piUa稱為稱為遏止電壓遏止電壓aeUmv 2max212 2 第二定律第二定律：光電子的光電子的最大初動最大初動能能隨入射光的隨入射光的頻率頻率增大而線性增增大而線性增大，而與入射光強度無關(guān)。大，而與入射光強度無關(guān)。說明初動能最大的電子也不能到達(dá)陽極。說明初動能最大的電子也不能到達(dá)陽極。1SI2SI3SIHipiUUa電子的初動能：電子的初動能：180UkUa 實驗還表明實驗還表明：光電子的最大初動能：光電子的

7、最大初動能(遏止電壓遏止電壓)隨與入射光頻率隨與入射光頻率增大而線性增大，與入射光的強度無關(guān)。增大而線性增大，與入射光的強度無關(guān)。aU0式中：式中：U0 - 決定于金屬性質(zhì)決定于金屬性質(zhì)k - 與金屬性質(zhì)無關(guān)與金屬性質(zhì)無關(guān) 的普適恒量的普適恒量aeUmv 2210221eUekmv piUUa3Ua2Ua13 2 1 aeUmv 2max2102max21eUekmv 190212max mv0eUek kU0 kU00 紅限頻率紅限頻率入射光頻率要大于入射光頻率要大于U0 / k才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。02max21eUekmv 注意：注意： (1)每種金屬都有各自對應(yīng)的紅限頻率

8、。每種金屬都有各自對應(yīng)的紅限頻率。 00eUA 逸出功逸出功逸出功：逸出功：電子逸出物體表面電子逸出物體表面所需要的所需要的最小最小能量能量A=eU0。3 3 第三定律第三定律：當(dāng)光照射到某一給定的金屬時，無論光的強度當(dāng)光照射到某一給定的金屬時，無論光的強度如何，如何，小于紅限頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。小于紅限頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。Hz10/140 金屬金屬截止頻率截止頻率4.5455.508.06511.53銫銫 鈉鈉 鋅鋅 銥銥 鉑鉑 19.29204 4 光電效應(yīng)的瞬時性。光電效應(yīng)的瞬時性。實驗表明實驗表明：當(dāng)光照射后，只要光子能量大于逸出功，：當(dāng)光照射后，只要光子能量大

9、于逸出功， 幾乎不要時間（幾乎不要時間（10-9s）便有光電子從陰極逸出。）便有光電子從陰極逸出。 這一點也是經(jīng)典物理不能解釋的。這一點也是經(jīng)典物理不能解釋的。按經(jīng)典物理，電子從光按經(jīng)典物理，電子從光波場中吸取能量要有一定的時間積累，光強愈小，積累的波場中吸取能量要有一定的時間積累，光強愈小，積累的時間越長。時間越長。(3)經(jīng)典物理解釋不了此規(guī)律。經(jīng)典物理解釋不了此規(guī)律。 按經(jīng)典物理電磁理論，光強愈大，電磁波振輻愈按經(jīng)典物理電磁理論，光強愈大，電磁波振輻愈大，電子受強迫力愈大，故光電子初動能應(yīng)與入射大，電子受強迫力愈大，故光電子初動能應(yīng)與入射光強度相關(guān)，更不應(yīng)存在紅限頻率。光強度相關(guān)，更不應(yīng)存

10、在紅限頻率。(2)紅限頻率對應(yīng)于光電子初動能為零時的入射光頻率。紅限頻率對應(yīng)于光電子初動能為零時的入射光頻率。 小于紅限頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。小于紅限頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。21三三 光子假說光子假說 愛因斯坦方程愛因斯坦方程1 1 光子假說光子假說 光是一束以光是一束以c運動著運動著一粒一粒一粒一粒的粒子流的粒子流，每一個光子每一個光子所帶能量所帶能量 =h ，不同的頻率，不同的頻率 的光子具有不同的能量。的光子具有不同的能量。這些粒子就是光量子，現(xiàn)稱這些粒子就是光量子，現(xiàn)稱光子光子。22 光不僅在發(fā)射和吸收時表現(xiàn)出量子性，而且在空間傳播光不僅在發(fā)射和吸收時表現(xiàn)出量子性，而

11、且在空間傳播時也表現(xiàn)出量子性時也表現(xiàn)出量子性 - 提出了輻射的電磁場也具有量子性。提出了輻射的電磁場也具有量子性。2 光子理論對光電效應(yīng)的解釋光子理論對光電效應(yīng)的解釋(1) 解釋光電子數(shù)與光強成正比解釋光電子數(shù)與光強成正比依假設(shè)：一能流密度為依假設(shè)：一能流密度為S的光量子（光子）組成的單色光，的光量子（光子）組成的單色光，單位時間通過垂直于光傳播方向的單位面積的光子數(shù)為單位時間通過垂直于光傳播方向的單位面積的光子數(shù)為N，則：則：顯然，光強越大（顯然，光強越大（S大），單位時間入射到金屬表面的光子數(shù)大），單位時間入射到金屬表面的光子數(shù)N越大，獲得光子的電子數(shù)也越多即光電子數(shù)與光強成正比。越大，獲

12、得光子的電子數(shù)也越多即光電子數(shù)與光強成正比。 NhS 23金屬金屬A(2) 解釋光電子的初動能與入射頻率有關(guān)，解釋光電子的初動能與入射頻率有關(guān)， 而與入射光光強無關(guān)。而與入射光光強無關(guān)。當(dāng)光照射到金屬內(nèi)部的電子它一當(dāng)光照射到金屬內(nèi)部的電子它一次吸收了一個能量為次吸收了一個能量為hv的光子，的光子，電子把這能量的一部分用來克服電子把這能量的一部分用來克服金屬吸引，一部分轉(zhuǎn)化為離開金金屬吸引，一部分轉(zhuǎn)化為離開金屬表面的動能：屬表面的動能：Amvh 221 若電子剛好在金屬表面，則若電子剛好在金屬表面，則A有極小值有極小值A(chǔ)0，電子可獲得最大動能電子可獲得最大動能02max21Amvh A0稱為稱為

13、“逸出功逸出功”或或“功函數(shù)功函數(shù)”愛因斯坦愛因斯坦 光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程束縛束縛電子電子vh 2402max21Amvh A0為為“逸出功逸出功”或或“功函數(shù)功函數(shù)”愛因斯坦光愛因斯坦光電效應(yīng)方程電效應(yīng)方程02max21Ahmv 初動能與頻率有關(guān)。初動能與頻率有關(guān)。00 Ah hA0 紅限頻率：紅限頻率：hA00 02max21eUekmv hek00eUA 對照后可得：對照后可得：25(3) 解釋光電效應(yīng)的瞬時性。解釋光電效應(yīng)的瞬時性。電子只吸收一個光子，無需電子只吸收一個光子，無需能量的積累過程。能量的積累過程。愛因斯坦理論圓滿地解釋了光愛因斯坦理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)。電效應(yīng)。19

14、21年因此獲諾貝爾年因此獲諾貝爾獎。獎。1916年，密立根（年，密立根（Milikan）對光電效應(yīng)進(jìn)行了精密測量對光電效應(yīng)進(jìn)行了精密測量也由此獲也由此獲1923年的諾貝爾獎年的諾貝爾獎（另一原因是他用油滴法精（另一原因是他用油滴法精確地測定了電子電量）。確地測定了電子電量）。金屬金屬A束縛束縛電子電子vh 26四四 光的波粒二象性光的波粒二象性光子不僅具有波動性，同時也具有粒子性，即光子不僅具有波動性，同時也具有粒子性，即波粒二象性波粒二象性。 hE hp 描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波動性波動性 hchcEp pcEE ,0020222EcpE 光子在光子在相對論中能量

15、和動量關(guān)系相對論中能量和動量關(guān)系(2) 粒子性：光電效應(yīng)、康普頓散射等粒子性：光電效應(yīng)、康普頓散射等(1) 波動性：光的干涉和衍射等波動性：光的干涉和衍射等27五五 光電效應(yīng)的應(yīng)用光電效應(yīng)的應(yīng)用光控繼電器、自動控制、光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等自動計數(shù)、自動報警等. .光電倍增管光電倍增管放大器放大器接控件機構(gòu)接控件機構(gòu)光光光控繼電器示意圖光控繼電器示意圖28社會應(yīng)用社會應(yīng)用-圖像傳感器圖像傳感器29能源能源30例例1 波長為波長為450nm的單色光射到純鈉的表面上。鈉的逸出功為的單色光射到純鈉的表面上。鈉的逸出功為2.28eV。求：求：(1)這種光的光子能量和動量；這種光的光子能量和動量；(2)光電子逸出鈉光電子逸出鈉表面時的動能；表面時的動能；(3)若光子的能量為若光子的能量為2.40eV，其波長為多少？，其波長為多少？解：解： (1) hchE cEhp (2)kEEAEhc 2.76eVJ1042. 419 c/eV76. 2smkg1047. 1127 eV48. 0eV)28. 276. 2( (3)nm518m1018. 57 31