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1、一、一、光电效应的实验规律光电效应的实验规律二、经典物理与实验规律的矛盾二、经典物理与实验规律的矛盾 三、爱因斯坦光子假说三、爱因斯坦光子假说 光电效应方程光电效应方程 四、光子的性质四、光子的性质五、光的波粒二象性五、光的波粒二象性1第22章 量子物理的基本概念 光电效应是赫兹在光电效应是赫兹在1887年发现的，年发现的，1896年汤姆逊发现了电子年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德证明了光电效之后，勒纳德证明了光电效应中发出的是电子。应中发出的是电子。光电效应光电效应光照射某些光照射某些金属时能从表面释放出电子的金属时能从表面释放出电子的效应。效应。产生的电子称为产生的电子称为光电子光电子。VG
2、OOOOOOBOO照射光照射光.KA光电管光电管2第22章 量子物理的基本概念伏安特性曲线伏安特性曲线一、一、光电效应的实验规律光电效应的实验规律1.饱和电流饱和电流 iS 2.遏止电压遏止电压 Ua iS 光电子数光电子数光强光强I （I,v)AKUiS3iS1iS2I1I2I3UaUiI1I2I3i遏止电压遏止电压饱和电流饱和电流 相当于单位时间从相当于单位时间从K极释放极释放的的e全部到达阳极全部到达阳极A。同一频率的光照射时，同一频率的光照射时，光电子最大初动能和入射光电子最大初动能和入射光强度光强度I无关。无关。iS1iS2iS3遏止电压的存在说明遏止电压的存在说明光电子具有初动能光
3、电子具有初动能3第22章 量子物理的基本概念 Ua 0遏止电压与频率关系曲线遏止电压与频率关系曲线光电子最大初动能和光电子最大初动能和 呈线性关系呈线性关系实验指出：遏止电压和入实验指出：遏止电压和入射光频率有线性关系，即：射光频率有线性关系，即：U0 和金属有关的恒量和金属有关的恒量 k 和金属无关的普适恒量和金属无关的普适恒量3.截止频率截止频率 0对于给定金属，当照射光频率对于给定金属，当照射光频率小于某一数值小于某一数值 0（称为（称为红限红限）时，无论光强多大、照射时间时，无论光强多大、照射时间多长都不会产生光电效应。多长都不会产生光电效应。CsCaNa4.06.08.010.0Ua
4、V 1014Hz4.02.0不同材料不同材料截止频率不同截止频率不同4第22章 量子物理的基本概念钯钯 Pd金金 Au汞汞 Hg钛钛 Ti铯铯 Cs12.111.610.99.9248025802750303065201.94.14.54.85.0金金 属属红红 限限逸逸 出出 功功(Hz)(A)4.8（eV)4.即时发射即时发射迟滞时间不超过迟滞时间不超过 10-9 s几种金属的红限及逸出功几种金属的红限及逸出功因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：5第22章 量子物理的基本概念二、经典物理与实验规律的矛盾二、经典物理与实验规律的矛盾 l 电
5、子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与光与光强强 I 有关有关)逸出，不应存在红限逸出，不应存在红限 0 。l 当光强很小时，电子逸出须经较长时间能量积累。当光强很小时，电子逸出须经较长时间能量积累。l 只有光的频率只有光的频率 0 时，电子才会逸出。时，电子才会逸出。l 逸出光电子的多少取决于光强逸出光电子的多少取决于光强 I。l 光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过 109s。总结总结l 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 呈线性关系。呈线性关系。l 光电子最大初动能取决于光强，与光的频率光电子最
6、大初动能取决于光强，与光的频率 无关无关6第22章 量子物理的基本概念三、爱因斯坦光子假说三、爱因斯坦光子假说 光电效应方程光电效应方程 光是光子流，每一光子能量为光是光子流，每一光子能量为h h，电子吸收一个光子，电子吸收一个光子A 为为逸逸出功出功l 单位时间到达单位垂直面积的光子数为单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强则光强 I=Nh .I 越强越强,到阴极的光子越多到阴极的光子越多,则则逸逸出的光电子越多。出的光电子越多。l 电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。l 光频率光频率 A/h 时，时，电子吸收一个光子即可
7、克服逸出功电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出。逸出。讨论讨论l 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 呈线性关系。呈线性关系。7第22章 量子物理的基本概念 光量子光量子具有具有“整体性整体性”光的发射、传播、吸收都是量子化的光的发射、传播、吸收都是量子化的 电磁辐射由以光速运动的光量子（光子）组成电磁辐射由以光速运动的光量子（光子）组成1.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905年年)光强光强:单位时间打到单位面积上的粒子总能量单位时间打到单位面积上的粒子总能量 N粒子流密度粒子流密度 光强不变光强不变,即即 I 不变不变;若若 则则 N 一个光子只能整个地被电子吸收
8、一个光子只能整个地被电子吸收8第22章 量子物理的基本概念2.对光电效应的解释对光电效应的解释 一个光子将全部能量交给一个电子，一个光子将全部能量交给一个电子，电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。A：逸出功逸出功光电效应方程光电效应方程当当 A/h 时时 不发生光电效应不发生光电效应红限频率红限频率 I 光子数光子数N 打出光电子多打出光电子多 im 在确定的光强下在确定的光强下 I=N h 打出的最多电子数就是打出的最多电子数就是 N 饱和电流饱和电流光量子光量子假设解释了假设解释了光电效应的全部实光电效应的全部实验规律！验规律！光子打出光电子光子打出
9、光电子是瞬时发生的是瞬时发生的遏止电压与最大动能遏止电压与最大动能9第22章 量子物理的基本概念1916年密立根实验年密立根实验 h=6.57 10-34 Js证实了爱因斯坦理论证实了爱因斯坦理论4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0CsNaCa10第22章 量子物理的基本概念红红外外变变像像管管红外辐射图像红外辐射图像可见光图像可见光图像像像 增增 强强 器器微弱光学图像微弱光学图像 高亮度可见光学图像高亮度可见光学图像测量波长在测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率极微弱光的功率光电倍增管光电倍增管3.光电效应的应用光电效应的应用 光电成像器件能将可见或不可
10、见的辐射图像转换或增强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。成为可观察记录、传输、储存的图像。11第22章 量子物理的基本概念 爱因斯坦由于对光电效爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物应的理论解释和对理论物理学的贡献理学的贡献获得获得1921年诺年诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。密立根由于研究基本电荷和密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单油滴实验，证明电荷有最小单位。获得位。获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。12第22章 量子物理的基本概念四、光子的性质四、光子的性质能量能量 质量质量但光子静止质量但光子静止质量 m0=0 动量动量角动量角动量在运动方向上在运动方向上13第22章 量子物理的基本概念五、光的波粒二象性五、光的波粒二象性1.近代认为光具有波粒二象性近代认为光具有波粒二象性2.基本关系式基本关系式粒子性：能量粒子性：能量 动量动量P 数量数量N波动性：波长波动性：波长 频率频率 振幅振幅E0 一些情况下一些情况下 突出显示波动性突出显示波动性 一些情况下一些情况下 突出显示粒子性突出显示粒子性不是经典的波不是经典的波 不是经典的粒子不是经典的粒子光的本性光的本性 波粒二象性波粒二象性14第22章 量子物理的基本概念