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1、1 光电效应光电效应 爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论一一 光电效应的实验规律光电效应的实验规律1 1 光电效应光电效应光的照射下，金属中的电子吸收光的照射下，金属中的电子吸收光能而逸出金属表面的现象。光能而逸出金属表面的现象。这些逸出的电子被称为这些逸出的电子被称为光电子光电子。2 2 实验装置实验装置K K金属电极（阴极）金属电极（阴极）A A阳极阳极金属金属GAK光V 1)饱和光电流强度饱和光电流强度 im 与入射光强与入射光强 I 成正比成正比3 3 实验规律实验规律 说明被光照射的电极上，说明被光照射的电极上，单位时间内释出的光电子数单位时间内释出的光电子数与入射光的强度与入射光
2、的强度成正比成正比遏止电势差遏止电势差Ua光电子的光电子的最大初动能最大初动能i0Uim2im1I1I2光强I2I1-Ua2)光电子的初动能随光电子的初动能随入射光的频率线性增加，入射光的频率线性增加，而与入射光的强度无关。而与入射光的强度无关。4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Ua(V)CsNaCa3)只有当入射光频率只有当入射光频率 大于一定的频率大于一定的频率 0时才会产生光电效应时才会产生光电效应 0 称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率4)光电效应是瞬时发生的光电效应是瞬时发生的驰豫时间不超过驰豫时间不超过1010-9-9s二二 经典物理学所遇到的困
3、难经典物理学所遇到的困难按照光的经典电磁理论：按照光的经典电磁理论：3 3 电子积累能量电子积累能量需要一段时间需要一段时间，光电效应，光电效应不可能瞬时发生不可能瞬时发生三三 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程1 1 光的强度与频率无关，光的强度与频率无关，不应存在截止频率不应存在截止频率1 1 爱因斯坦光量子假说爱因斯坦光量子假说(1905)(1905)1 1）一束光是一束以光速运动的粒子流，一束光是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为这些粒子称为光子（光量子）光子（光量子）2 2）每个光子的能量每个光子的能量2 2 逸出光电子的逸出光电子的初动能初动能应随光应随光强增大而增大，强增
4、大而增大，与频率无关与频率无关3 3）光的强度决定于单位时间内通过单位面积的光电子数光的强度决定于单位时间内通过单位面积的光电子数N2 2 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程A A 为该金属材料的为该金属材料的逸出功逸出功根据根据能量守恒能量守恒当频率为当频率为 光照射金属时，一个电子是整体吸收一个光子光照射金属时，一个电子是整体吸收一个光子3 光子理论对光电效应的解释光子理论对光电效应的解释1）当入射光的频率一定时，入射光越强则光子数当入射光的频率一定时，入射光越强则光子数N 就越多，就越多，单位时间产生的光电子数就越多，饱合光电流就越大。单位时间产生的光电子数就越多，饱合光电流就越大
5、。与频率成线性关系，而与光的强度无关与频率成线性关系，而与光的强度无关与与实验比较有实验比较有为红限频率为红限频率3）若能发生光电效应必要求若能发生光电效应必要求4）一个光子是整体而被电子吸收，不需要时间积累一个光子是整体而被电子吸收，不需要时间积累，因此光电效应的弛豫时间可很短。因此光电效应的弛豫时间可很短。2）由由 和和四四 光子光子光子静止质量光子静止质量:光子的能量：光子的能量：2 2 光的光的“波粒二象性波粒二象性”1)1)在有些情况在有些情况(干涉、衍射、偏振等干涉、衍射、偏振等)下下，光显示出波动性光显示出波动性2)2)在另一些情况下在另一些情况下(热辐射、光电效应等热辐射、光电
6、效应等)，显示出粒子性，显示出粒子性光具有光具有“波粒二象性波粒二象性”爱因斯坦爱因斯坦“因在数学物理方面的成就，尤其发现因在数学物理方面的成就，尤其发现了光电效应的规律了光电效应的规律”，获得了，获得了1921年年诺贝尔物理诺贝尔物理奖奖。1 1 光子的能量、质量与动量光子的能量、质量与动量光子的动量：光子的动量：例例1 1 光电效应实验，已知阴极材料的逸出功光电效应实验，已知阴极材料的逸出功A，照射光的频率照射光的频率 o，求：求：1）红限）红限 o；2）遏止电压遏止电压Ua 。解解:1）由爱因斯坦方程）由爱因斯坦方程（2）爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 图中所示为一次光电效应实
7、验中得到的曲线。图中所示为一次光电效应实验中得到的曲线。（1）求证，对不同材料的金属，）求证，对不同材料的金属，AB线的斜率相同线的斜率相同 （2）由图上数据求出普朗克常数）由图上数据求出普朗克常数h 。例例2 2Ua(V)(1014Hz)5.010.00.01.02.0AB解解:（1 1）=常数常数（2 2）由曲线可知：由曲线可知：2 德布罗意波德布罗意波 波波-粒二象性粒二象性光光(波波)具有粒子性具有粒子性实物粒子具有波动性实物粒子具有波动性一一 德布罗意波德布罗意波?不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子(如电子、原子、分如电子、原子、分子等子等)也都具有
8、波粒二象性也都具有波粒二象性;具有确定动量具有确定动量 P 和确定能量和确定能量 E 的实物粒子相当于频率为的实物粒子相当于频率为 和波长为和波长为 的波的波,二者之间的二者之间的关系如同光子和光波的关系一样关系如同光子和光波的关系一样,满足：满足：德布罗意假设：德布罗意假设：这种和实物粒子相联系的波这种和实物粒子相联系的波称为称为 德布罗意波德布罗意波 或或 物质波物质波。1924年年，青年博士研究生德布罗意提出，青年博士研究生德布罗意提出，例：电子在电场里加速所获得的能量例：电子在电场里加速所获得的能量电子的德布罗意波长电子的德布罗意波长德布罗意公式德布罗意公式X射线范围射线范围玻尔氢原子
9、量子化条件与驻波条件是等效的。玻尔氢原子量子化条件与驻波条件是等效的。将将德布罗意关系式德布罗意关系式代入即得代入即得玻尔理论中的角动量量子化条件玻尔理论中的角动量量子化条件 电子束在晶体表面散射实验时，观察到了和电子束在晶体表面散射实验时，观察到了和X射线在晶射线在晶体表面衍射相类似的衍射现象，从而证实了电子具有波动性。体表面衍射相类似的衍射现象，从而证实了电子具有波动性。KDUM镍单晶镍单晶BG1 1 戴维孙戴维孙-革末实验（革末实验（19271927）二 德布罗意假设的实验证明德布罗意假设的实验证明电子衍射实验电子衍射实验多多晶晶 铝铝 箔箔 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子
10、的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象2、汤姆逊（、汤姆逊（1927）3、约恩逊（、约恩逊（1960）单缝衍射单缝衍射双缝衍射双缝衍射三缝衍射三缝衍射四缝衍射四缝衍射例例3 3 m=0.01kg，V=300m/s的子弹的子弹 极其微小，宏观物体的波长小得实验难以测量极其微小，宏观物体的波长小得实验难以测量，“宏观物体只表现出粒子性宏观物体只表现出粒子性”三三 原子的壳层结构原子的壳层结构1 1 电子状态由四个量子数决定电子状态由四个量子数决定1)主主 量量 子子 数数 n,n=1,2,3,2)轨道角量子数轨道角量子数 l,l =0,1,2,(n 1)3)轨道磁量子数轨道磁量子数 ml,m l=0
11、,1,2,l4)自旋磁量子数自旋磁量子数 ms,m s=1/2大体上决定原子中的电子的能量大体上决定原子中的电子的能量决定电子的决定电子的轨道角动量轨道角动量,对能量也有影响对能量也有影响决定决定轨道角动在外磁场方向上的分量轨道角动在外磁场方向上的分量决定电子自旋决定电子自旋角动量在外磁场方向上的分量角动量在外磁场方向上的分量2 2 原子的壳层结构原子的壳层结构(1916,W.Kossel)n=1,2,3,4,5,6,.主量子数主量子数 n 相同的电子属于同一壳层相同的电子属于同一壳层分别称为分别称为 K,L,M,N,O,P,.壳层壳层同一壳层中同一壳层中(n 相同相同)，l 相同的电子组成同
12、一分壳层相同的电子组成同一分壳层 分别用分别用 s,p,d,f,表示表示 l=0，1,2,3,原子是由多个电子与原子核组成系统，系统原子是由多个电子与原子核组成系统，系统的状态用电子状态分布来描写的状态用电子状态分布来描写。用。用n、l 标记一标记一个电子再指明该态中的电子数个电子再指明该态中的电子数原子组态原子组态，若，若有有x个电子处于个电子处于n l 态，记态，记n l x 1)泡利不相容原理泡利不相容原理 一个多电子原子系统中，不可能有两个或两个以一个多电子原子系统中，不可能有两个或两个以上的电子具有相同的状态上的电子具有相同的状态,即即不能有两个电子具有相不能有两个电子具有相同的同的 n,l,m l ,ms3 3 原子的壳层结构中电子的原子的壳层结构中电子的填充原则填充原则主量子数为主量子数为 n 的状态的数目为：的状态的数目为：2)能量最小原理能量最小原理 基态原子中电子先填满能量小的壳层基态原子中电子先填满能量小的壳层我国理论科学家徐光宪提出一个经验公式我国理论科学家徐光宪提出一个经验公式:(n+0.7 l )该值越大，能级越高。该值越大，能级越高。n 小的壳层尚未填满，却在小的壳层尚未填满，却在 n大的壳层中有电子填入大的壳层中有电子填入.特殊情况特殊情况：