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1、光电效应爱因斯坦的光量子论第一页,讲稿共三十三页哦2.2.实验装置实验装置GD为光电管;光通过石英窗口照射阴极为光电管;光通过石英窗口照射阴极K,光电子从阴,光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向阳极极表面逸出。光电子在电场加速下向阳极A运动,形成运动,形成光光电流电流。VAGDKA第二页,讲稿共三十三页哦3.3.实验规律实验规律将换向开关反接,电场反向,将换向开关反接,电场反向,则光电子离开阴极后将受反向则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。电场阻碍作用。电压达到某一值电压达到某一值-U0 时,光电流恰为时,光电流恰为0 0。U0称反向称反向截截止电压止电压。在一定强度的单色光照射下在
2、一定强度的单色光照射下,光电流随加速电压的增光电流随加速电压的增加而增大加而增大,但当加速电压增加到一定量值时但当加速电压增加到一定量值时,光电流达饱光电流达饱和值和值is.加速电压为零时加速电压为零时,光电流不为光电流不为零零,说明光电子从金属表面逸出说明光电子从金属表面逸出时具有时具有初动能初动能.第三页,讲稿共三十三页哦(1)1)光电流与光强的关系光电流与光强的关系 如果增加入射光的强度如果增加入射光的强度,饱和光电流饱和光电流is也随着增大也随着增大.即饱和光电流与入射即饱和光电流与入射光的强度成正比。光的强度成正比。结论结论1 1:单位时间内单位时间内,从金属表从金属表面释放出来的电
3、子数和入射面释放出来的电子数和入射光的强度成正比。光的强度成正比。(2)截止电压)截止电压 加截止电压加截止电压U0时时,光电子光电子的动能全部用来的动能全部用来克服电场力作克服电场力作功功第四页,讲稿共三十三页哦截止电压截止电压 和入射光的频率之间具有线性关系和入射光的频率之间具有线性关系,与与入射光强无关。入射光强无关。截止电压与频率的关系截止电压与频率的关系 为不随金属性质不同而改变的普适恒量为不随金属性质不同而改变的普适恒量(3)截止频率(又称红限)截止频率(又称红限)第五页,讲稿共三十三页哦 称为光电效应的红限(截止频率)称为光电效应的红限(截止频率)结论结论2:光电子从金属表面逸出
4、时的最大初动能与光电子从金属表面逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系。入射光的频率成线性关系。结论结论3:当入射光的频率小于当入射光的频率小于 时,不管照射光的强时,不管照射光的强度多大,不会产生光电效应。度多大,不会产生光电效应。第六页,讲稿共三十三页哦(4)弛豫时间)弛豫时间 从入射光开始照射直到金属释放出电子,无论从入射光开始照射直到金属释放出电子,无论光的强度如何,这段时间很短,不超过光的强度如何,这段时间很短,不超过 。结论结论4:4:光电效应是瞬时的。光电效应是瞬时的。二二.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难1)光波的能量与光强有关,电子吸收的能量也与光强光波的能量
5、与光强有关,电子吸收的能量也与光强有关,光电子的初动能应随入射光的强度增加。不存有关,光电子的初动能应随入射光的强度增加。不存在截止频率!在截止频率!2)光波的能量分布在波面上,电子积累能量需要一段时光波的能量分布在波面上,电子积累能量需要一段时间,光电效应不可能瞬时发生!间,光电效应不可能瞬时发生!按照光的经典电磁理论:按照光的经典电磁理论:第七页,讲稿共三十三页哦 普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子的发射或吸收上,并未涉及辐射在空间的传播。相反,的发射或吸收
6、上,并未涉及辐射在空间的传播。相反,的发射或吸收上,并未涉及辐射在空间的传播。相反,的发射或吸收上,并未涉及辐射在空间的传播。相反,当时认为在空间传播的电磁辐射,其能量仍是连续分布当时认为在空间传播的电磁辐射,其能量仍是连续分布当时认为在空间传播的电磁辐射,其能量仍是连续分布当时认为在空间传播的电磁辐射,其能量仍是连续分布的。这显然是不协调的。的。这显然是不协调的。的。这显然是不协调的。的。这显然是不协调的。三、爱因斯坦的光子理论三、爱因斯坦的光子理论三、爱因斯坦的光子理论三、爱因斯坦的光子理论爱因斯坦指出了上述不协调性。爱因斯坦指出了上述不协调性。爱因斯坦指出了上述不协调性。爱因斯坦指出了上
7、述不协调性。1905190519051905年提出了年提出了年提出了年提出了光子假光子假光子假光子假说:说:说:说:(1)(1)(1)(1)光是由光子组成的光子流,光的能量集中于一光是由光子组成的光子流,光的能量集中于一光是由光子组成的光子流,光的能量集中于一光是由光子组成的光子流,光的能量集中于一颗颗的光子上。颗颗的光子上。颗颗的光子上。颗颗的光子上。(2)(2)(2)(2)光子的能量和其频率成正比光子的能量和其频率成正比光子的能量和其频率成正比光子的能量和其频率成正比1.1.1.1.爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说第八页,讲稿共三十三页哦(3)(3)(3)(
8、3)光子具有光子具有光子具有光子具有“整体性整体性整体性整体性”。一个光子只能。一个光子只能。一个光子只能。一个光子只能“整个地整个地整个地整个地”被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。2.2.2.2.对光电效应的解释对光电效应的解释对光电效应的解释对光电效应的解释1)1)1)1)光照射到金属表面时,一个光子的能量可以立即被光照射到金属表面时,一个光子的能量可以立即被光照射到金属表面时,一个光子的能量可以立即被光照射到金属表面时,一个光子的能量可以立即被金属中的自由电子吸收金属中的自由电子吸收金属中的自由电子吸收金属中的自由电子吸收。2)2)2)2)但只有当入
9、射光的频率足够高,以致每个光子的能但只有当入射光的频率足够高,以致每个光子的能但只有当入射光的频率足够高,以致每个光子的能但只有当入射光的频率足够高,以致每个光子的能量量量量 h h h h 足够大时,电子才有可能足够大时,电子才有可能足够大时,电子才有可能足够大时,电子才有可能克服逸出功克服逸出功克服逸出功克服逸出功逸出金属逸出金属逸出金属逸出金属表面。表面。表面。表面。用用表示电子逸出金属表面时克服阻力而做的功,称表示电子逸出金属表面时克服阻力而做的功,称为为逸出功逸出功。第九页,讲稿共三十三页哦3)3)3)3)逸出的电子的最大初动能为逸出的电子的最大初动能为逸出的电子的最大初动能为逸出的
10、电子的最大初动能为4)当当 /h时,电子的能量不足以克服逸时,电子的能量不足以克服逸出功而发生出功而发生光电效应。存在光电效应。存在红限频率红限频率.红限频率红限频率光量子光量子假设解释了光电效应的全部实验规律!假设解释了光电效应的全部实验规律!第十页,讲稿共三十三页哦几种金属的红限及逸出功几种金属的红限及逸出功钯钯 Pd金金 Au汞汞 Hg钛钛 Ti铯铯 Cs12.111.610.99.92482582753036521.94.14.54.85.0金金 属属红红 限限逸逸 出出 功功(Hz)(nm)c04.8=0(eV)+10140l第十一页,讲稿共三十三页哦 美国物理学家密立根,花了十年时
11、间做了美国物理学家密立根,花了十年时间做了“光电效光电效应应”实验,结果在实验,结果在1915年证实了爱因斯坦方程,年证实了爱因斯坦方程,h 的值与的值与理论值完全一致,又一次证明了理论值完全一致,又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。3.3.光电效应理论的验证光电效应理论的验证数据取自数据取自R.A.Millikan,Physical Review,7,362(1916)第十二页,讲稿共三十三页哦4.4.普朗克常数普朗克常数h的测定的测定爱因斯坦方程爱因斯坦方程代入上式代入上式第十三页,讲稿共三十三页哦5 5 5 5.多光子光电效应多光子光电效应多光子光电效应多光子光电效应 在
12、爱因斯坦最初研究光电效应时,并没有考虑到多光子在爱因斯坦最初研究光电效应时,并没有考虑到多光子吸收(即一个电子吸收两个或两个以上光子)的情况。但吸收(即一个电子吸收两个或两个以上光子)的情况。但在激光出现后,实验上发现了新的吸收过程,特别对于双在激光出现后,实验上发现了新的吸收过程,特别对于双光子吸收的过程,在实验上和理论上均取得了许多成果。光子吸收的过程,在实验上和理论上均取得了许多成果。1983年年Forkas等人用等人用co2激光器发出波长为激光器发出波长为10.6m的激的激光为入射光,金作为靶金属,观察到了吸收光为入射光,金作为靶金属,观察到了吸收40个等效光子个等效光子的过程。的过程
13、。第十四页,讲稿共三十三页哦 光电控制电路、自动报警、自动计数、光电倍增管、光电控制电路、自动报警、自动计数、光电倍增管、光电控制电路、自动报警、自动计数、光电倍增管、光电控制电路、自动报警、自动计数、光电倍增管、鼠标器等等。鼠标器等等。鼠标器等等。鼠标器等等。6.6.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用 利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性性,可以制造光电转换器可以制造光电转换器-实现光信号与电信号之实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器如光电管等,广泛应用间的相互转换。这些光电转换器如光电管等,广泛应用于光功率测量、光
14、信号记录、电影、电视和自动控制等于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。诸多方面。第十五页,讲稿共三十三页哦光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图原理:原理:当加在发光元件上的信号当加在发光元件上的信号达到某一定值时,光的作用使光达到某一定值时,光的作用使光敏器件的阻值发生急剧变化,从敏器件的阻值发生急剧变化,从而起到闭合或开断电路的作用。而起到闭合或开断电路的作用。第十六页,讲稿共三十三页哦 光电效应的研究历经三十年,有三人荣获诺贝尔物理光电效应的研究历经三十年,有三人荣获诺贝尔物理奖奖莱纳德莱纳德 发现现象发现现象 190
15、5年年爱因斯坦爱因斯坦 理论解释理论解释 1921年年密立根密立根 实验证实实验证实 1923年年密立根,美国物理学家。密立根,美国物理学家。研究基本电荷和光电效应,研究基本电荷和光电效应,特别是通过著名的油滴实验,特别是通过著名的油滴实验,证明电荷有最小单位。证明电荷有最小单位。第十七页,讲稿共三十三页哦四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性1.近代关于光的本性的认识近代关于光的本性的认识 光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。波粒二象性。波动性:光是电磁波,有干涉、衍射现象波动性:光是电磁波,有干涉、衍射现象粒子性:光是光子流,光子具有粒子的
16、一切属性粒子性:光是光子流,光子具有粒子的一切属性-质量、能量、动量。质量、能量、动量。有些情况下有些情况下(传播过程中,能量小传播过程中,能量小)波动性突出;波动性突出;有些情况下有些情况下(和物质相互作用时,能量、动量大和物质相互作用时,能量、动量大)粒子性粒子性突出。突出。第十八页,讲稿共三十三页哦描述光的描述光的波动性:波动性:波长波长 ,频率,频率 描述光的描述光的粒子性:粒子性:能量能量 E,动量,动量P2.基本关系式基本关系式静质量静质量 动质量动质量 光子动量光子动量 但是,光即不是经典的波,也不是经典的粒子。但是,光即不是经典的波,也不是经典的粒子。光子质量光子质量第十九页,
17、讲稿共三十三页哦 光作为电磁波是弥散光作为电磁波是弥散在空间而连续的,光作在空间而连续的,光作为粒子在空间中是集中为粒子在空间中是集中而分立的。如何统一呢而分立的。如何统一呢?两者统一于概率波理论。两者统一于概率波理论。3.波动性和粒子性的统一波动性和粒子性的统一第二十页,讲稿共三十三页哦单单缝缝衍衍射射 光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比比,光子数光子数 N I E02光子是分立的,光强分布可以是连续的。光子是分立的,光强分布可以是连续的。光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定。光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定。光子在某处出现的概
18、率大,则该处的光强光子在某处出现的概率大,则该处的光强I 大;大;光子在某处出现的概率小,则该处的光强光子在某处出现的概率小,则该处的光强I 小;小;第二十一页,讲稿共三十三页哦五、康普顿效应五、康普顿效应五、康普顿效应五、康普顿效应康普顿康普顿吴有训吴有训 19231923年年康康普普顿顿(及及中中国国科科学学家家吴吴有有训训)研研究究了了x x射射线线通通过过物物质质时时向向各各方方向向散散射射的的现现象象。进进一一步步证证实实了了爱爱因因斯坦的光子概念。斯坦的光子概念。第二十二页,讲稿共三十三页哦1.1.实验装置实验装置 康普顿发现康普顿发现,在散射光中除了有与入射光波长在散射光中除了有
19、与入射光波长0 相同相同的射线之外,同时还出现一种波长的射线之外,同时还出现一种波长大于大于0 的射线的射线。这种改变波长的散射称为这种改变波长的散射称为康普顿效应。康普顿效应。第二十三页,讲稿共三十三页哦1 1)原子质量较小的物质,波长原子质量较小的物质,波长 对应的谱线强度对应的谱线强度大,康普顿效应显著;大,康普顿效应显著;原子质量大的物质原子质量大的物质康普顿效康普顿效应较弱。应较弱。0 49Be2964Cu减小。减小。2.2.实验结果实验结果增大,增大,在同一散射角下,在同一散射角下,随原子序数随原子序数Z增大,增大,第二十四页,讲稿共三十三页哦吴有训吴有训的康普顿效应散射实验曲线的
20、康普顿效应散射实验曲线第二十五页,讲稿共三十三页哦2)波长的改变量)波长的改变量 与散射角与散射角 有关,与散射物质和入有关,与散射物质和入射波长无关。射波长无关。(相对强度)(相对强度)(波长)(波长)第二十六页,讲稿共三十三页哦2.2.2.2.经典理论的解释经典理论的解释经典理论的解释经典理论的解释 根据经典电磁波理论,当电磁波通过物质时,物质中根据经典电磁波理论,当电磁波通过物质时,物质中带电粒子将作受迫振动,散射光频率带电粒子将作受迫振动,散射光频率 =粒子作受迫振粒子作受迫振动频率动频率 =入射光频率入射光频率.光的波动理论无法解释康普顿效光的波动理论无法解释康普顿效应。应。3.3.
21、3.3.光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概念康普顿效应进一步充实了爱因斯坦的光子概念:一一定频率的光子不仅具有确定的能量定频率的光子不仅具有确定的能量,而且还有确定的动量而且还有确定的动量,即即光子的动量:光子的动量:光子的能量:光子的能量:第二十七页,讲稿共三十三页哦(1)(1)若光子和外层电子相碰撞,光子有一部分能量传给若光子和外层电子相碰撞,光子有一部分能量传给电子电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。射光的波长。(
22、2)(2)若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,光子将与若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,光子将与整个原子交换能量整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量,由于光子质量远小于原子质量,根据碰撞理论,碰撞前后光子能量几乎不变,波根据碰撞理论,碰撞前后光子能量几乎不变,波长不变。长不变。康普顿用光子概念成功地解释了康普顿效应康普顿用光子概念成功地解释了康普顿效应:光光子与静止的自由电子发生弹性碰撞子与静止的自由电子发生弹性碰撞,碰撞过程中碰撞过程中严格遵守能量、动量守恒定律。严格遵守能量、动量守恒定律。第二十八页,讲稿共三十三页哦(3)在重原子中,内层电子比轻原子多,而内层电在重原子中,内层电子比
23、轻原子多,而内层电子束缚很紧,所以原子量大的物质,康普顿效应比子束缚很紧,所以原子量大的物质,康普顿效应比原子量小的弱。原子量小的弱。(4(4)因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关,所以波)因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关,所以波长改变和散射角有关。长改变和散射角有关。X 射线是由一些能量为射线是由一些能量为 =h 的光子组成,并且这些光的光子组成,并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞,子与自由电子发生完全弹性碰撞,在轻原子中,原子核对电子的束缚较弱,可以把电子看作在轻原子中,原子核对电子的束缚较弱,可以把电子看作是静止的自由电子。是静止的自由电子。4.4.康普顿效应的定量分析康普顿效应
24、的定量分析第二十九页,讲稿共三十三页哦碰撞前:碰撞前:光子能量为光子能量为h o,动量为动量为h o/c;电子的能量为电子的能量为moc2,动量为零。动量为零。反冲电子反冲电子碰撞后:碰撞后:光子散射角为光子散射角为,光子能量为光子能量为h,动量为动量为h/c;电子飞出的方向与入射光子的夹角为电子飞出的方向与入射光子的夹角为,它它的能量为的能量为 ,动量为,动量为 。第三十页,讲稿共三十三页哦由由能量守恒能量守恒:由由动量守恒动量守恒:XXeX第三十一页,讲稿共三十三页哦XX方向动量守恒方向动量守恒Y方向动量守恒方向动量守恒能量守恒能量守恒:第三十二页,讲稿共三十三页哦最后得到:最后得到:此式说明:波长改变与散射物质无关此式说明:波长改变与散射物质无关,仅决定于散射角;仅决定于散射角;波长改变随散射角增大而增加。波长改变随散射角增大而增加。电子的电子的康普顿波长。康普顿波长。计算的理论值与实验值符合得很好。计算的理论值与实验值符合得很好。第三十三页,讲稿共三十三页哦