光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光量子論

光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光量子論第一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.實(shí)驗(yàn)裝置GD為光電管；光通過(guò)石英窗口照射陰極K，光電子從陰極表面逸出。光電子在電場(chǎng)加速下向陽(yáng)極A運(yùn)動(dòng)，形成光電流。VAGDKA第二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.實(shí)驗(yàn)規(guī)律將換向開(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。

電壓達(dá)到某一值-U0

時(shí)，光電流恰為0。

U0稱(chēng)反向截止電壓。

在一定強(qiáng)度的單色光照射下,光電流隨加速電壓的增加而增大,但當(dāng)加速電壓增加到一定量值時(shí),光電流達(dá)飽和值is.

加速電壓為零時(shí),光電流不為零,說(shuō)明光電子從金屬表面逸出時(shí)具有初動(dòng)能.第三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)光電流與光強(qiáng)的關(guān)系

如果增加入射光的強(qiáng)度,飽和光電流is也隨著增大.即飽和光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。結(jié)論1：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi),從金屬表面釋放出來(lái)的電子數(shù)和入射光的強(qiáng)度成正比。（2）截止電壓

加截止電壓U0時(shí),光電子的動(dòng)能全部用來(lái)克服電場(chǎng)力作功第四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五截止電壓和入射光的頻率之間具有線性關(guān)系,與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。截止電壓與頻率的關(guān)系

為不隨金屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量（3）截止頻率（又稱(chēng)紅限）

第五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五

稱(chēng)為光電效應(yīng)的紅限（截止頻率）

結(jié)論2：光電子從金屬表面逸出時(shí)的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系。結(jié)論3:當(dāng)入射光的頻率小于時(shí)，不管照射光的強(qiáng)度多大，不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。第六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）弛豫時(shí)間

從入射光開(kāi)始照射直到金屬釋放出電子，無(wú)論光的強(qiáng)度如何，這段時(shí)間很短，不超過(guò)。結(jié)論4:光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。二.經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難1)光波的能量與光強(qiáng)有關(guān)，電子吸收的能量也與光強(qiáng)有關(guān)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)隨入射光的強(qiáng)度增加。不存在截止頻率！2)光波的能量分布在波面上，電子積累能量需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不可能瞬時(shí)發(fā)生！按照光的經(jīng)典電磁理論：第七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五

普朗克把能量量子化的概念只局限于物體內(nèi)振子的發(fā)射或吸收上，并未涉及輻射在空間的傳播。相反，當(dāng)時(shí)認(rèn)為在空間傳播的電磁輻射，其能量仍是連續(xù)分布的。這顯然是不協(xié)調(diào)的。三、愛(ài)因斯坦的光子理論愛(ài)因斯坦指出了上述不協(xié)調(diào)性。1905年提出了光子假說(shuō)：(1)光是由光子組成的光子流，光的能量集中于一顆顆的光子上。(2)光子的能量和其頻率成正比1.愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)第八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五(3)光子具有“整體性”。一個(gè)光子只能“整個(gè)地”被電子吸收或放出。2.對(duì)光電效應(yīng)的解釋1)光照射到金屬表面時(shí)，一個(gè)光子的能量可以立即被金屬中的自由電子吸收。2)但只有當(dāng)入射光的頻率足夠高，以致每個(gè)光子的能量h足夠大時(shí)，電子才有可能克服逸出功Φ逸出金屬表面。用Φ表示電子逸出金屬表面時(shí)克服阻力而做的功，稱(chēng)為逸出功。第九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五3)逸出的電子的最大初動(dòng)能為4)當(dāng)

/h時(shí)，電子的能量不足以克服逸出功而發(fā)生光電效應(yīng)。存在紅限頻率.紅限頻率光量子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實(shí)驗(yàn)規(guī)律！第十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五幾種金屬的紅限及逸出功鈀Pd金Au汞Hg鈦Ti銫Cs12.111.610.99.9248258275303654.85.0金屬紅限逸出功(Hz)(nm)νc04.8=ν0（eV)+10140l第十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五

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。3.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證數(shù)據(jù)取自R.A.Millikan,PhysicalReview,7,362(1916)第十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.普朗克常數(shù)h的測(cè)定愛(ài)因斯坦方程代入上式第十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.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)了新的吸收過(guò)程，特別對(duì)于雙光子吸收的過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)上和理論上均取得了許多成果。

1983年Forkas等人用co2激光器發(fā)出波長(zhǎng)為10.6μm的激光為入射光，金作為靶金屬，觀察到了吸收40個(gè)等效光子的過(guò)程。第十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光電控制電路、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)、光電倍增管、鼠標(biāo)器等等。6.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用

利用光電效應(yīng)中光電流與入射光強(qiáng)成正比的特性,可以制造光電轉(zhuǎn)換器----實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。這些光電轉(zhuǎn)換器如光電管等，廣泛應(yīng)用于光功率測(cè)量、光信號(hào)記錄、電影、電視和自動(dòng)控制等諸多方面。第十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電倍增管放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖原理：當(dāng)加在發(fā)光元件上的信號(hào)達(dá)到某一定值時(shí)，光的作用使光敏器件的阻值發(fā)生急劇變化，從而起到閉合或開(kāi)斷電路的作用。第十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光電效應(yīng)的研究歷經(jīng)三十年，有三人榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)萊納德發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象1905年愛(ài)因斯坦理論解釋1921年密立根實(shí)驗(yàn)證實(shí)1923年密立根，美國(guó)物理學(xué)家。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。第十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、光的波粒二象性1.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，即光具有波粒二象性。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，光子具有粒子的一切屬性---質(zhì)量、能量、動(dòng)量。有些情況下(傳播過(guò)程中，能量小)波動(dòng)性突出；有些情況下(和物質(zhì)相互作用時(shí)，能量、動(dòng)量大)粒子性突出。第十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五描述光的波動(dòng)性：波長(zhǎng)，頻率描述光的粒子性：能量E

，動(dòng)量P2.基本關(guān)系式靜質(zhì)量動(dòng)質(zhì)量光子動(dòng)量但是，光即不是經(jīng)典的波，也不是經(jīng)典的粒子。光子質(zhì)量第十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的，光作為粒子在空間中是集中而分立的。如何統(tǒng)一呢?兩者統(tǒng)一于概率波理論。3.波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一第二十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五單縫衍射

光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比,光子數(shù)N

IE02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)的概率大，則該處的光強(qiáng)I大；光子在某處出現(xiàn)的概率小，則該處的光強(qiáng)I??；第二十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、康普頓效應(yīng)康普頓吳有訓(xùn)1923年康普頓（及中國(guó)科學(xué)家吳有訓(xùn)）研究了x射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)向各方向散射的現(xiàn)象。進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光子概念。第二十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.實(shí)驗(yàn)裝置

康普頓發(fā)現(xiàn),在散射光中除了有與入射光波長(zhǎng)λ0

相同的射線之外，同時(shí)還出現(xiàn)一種波長(zhǎng)λ大于λ0

的射線。這種改變波長(zhǎng)的散射稱(chēng)為康普頓效應(yīng)。第二十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五1）原子質(zhì)量較小的物質(zhì)，波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的譜線強(qiáng)度大，康普頓效應(yīng)顯著；原子質(zhì)量大的物質(zhì)康普頓效應(yīng)較弱。049Be2964Cu減小。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果增大，在同一散射角下，隨原子序數(shù)Z增大，第二十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五吳有訓(xùn)的康普頓效應(yīng)散射實(shí)驗(yàn)曲線第二十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五2）波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，與散射物質(zhì)和入射波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。（相對(duì)強(qiáng)度）（波長(zhǎng)）第二十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.經(jīng)典理論的解釋

根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，散射光頻率=粒子作受迫振動(dòng)頻率=入射光頻率.光的波動(dòng)理論無(wú)法解釋康普頓效應(yīng)。3.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋

康普頓效應(yīng)進(jìn)一步充實(shí)了愛(ài)因斯坦的光子概念:一定頻率的光子不僅具有確定的能量,而且還有確定的動(dòng)量,即光子的動(dòng)量：光子的能量：第二十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五(1)若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。(2)若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。

康普頓用光子概念成功地解釋了康普頓效應(yīng):光子與靜止的自由電子發(fā)生彈性碰撞,碰撞過(guò)程中嚴(yán)格遵守能量、動(dòng)量守恒定律。第二十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五(3)在重原子中，內(nèi)層電子比輕原子多，而內(nèi)層電子束縛很緊，所以原子量大的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)比原子量小的弱。(4）因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。X射線是由一些能量為=h

的光子組成，并且這些光子與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，在輕原子中，原子核對(duì)電子的束縛較弱，可以把電子看作是靜止的自由電子。4.康普頓效應(yīng)的定量分析第二十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五碰撞前：光子能量為ho，動(dòng)量為ho/c；電子的能量為moc2，動(dòng)量為零。反沖電子碰撞后：光子散射角為，光子能量為h，動(dòng)量為h/c；電子飛出的方向與入射光子的夾角為，它的能量為，動(dòng)量為。第三十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于20