光电效应 ： 光照射到金属上,使电子从金属表面逸出的现象...

1 2 h mv W 2
光电效应方程
1 2 m 光电子的初动能 2
W：逸出功 逸出功与 材料有关
逸出功与材料有关
几种金属逸出功的近似值(eV) 钠 铝 锌 4.31 铜 4.70 银 铂
2.46 4.08
4.73 6.35
3. 爱因斯坦光子理论对光电效应的解释
爱因斯坦认为：光电效应是电子吸收光子能量产生的 1) 电子一旦吸收了一个光子的能量，就可以立刻从 金属表面逸出，所以无须时间累积。 2)光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以 饱和光电流也大。 3) 从方程可以看出光电子初动能和照射光频率成 1 线性关系。 h W m 2
/ 0
0
个光电池，问要遏止电 子，需加多大的负电势 ？ 同种物质的W应一样
1 m 2 W， 为 了 遏 止 电 子 ， 所 的 需负 电 势 2 （ 阳 极 相 对 于 阴 极 而） 言即 遏 止 电 势 差 大 小U 为 0， 因 为 解 ： 根 据 爱 因 斯 坦 方： 程h 1 m 2 eU 0， 所 以 h eU 0 W， 对 题 中 的 两 种 波 长 可 ，分 别 有 ： 2 hc h eU 0 W 1 1 ， 两 式 相 减 ， 得 ： hc e U 0 U 0 hc h W eU 0 将 数 据 代 入 ， 可 算 出长 波 4000A 的 光 照 射 时 所 需 的 遏 电 止势 的 大 小 ： hc 1 1 6.63 10 34 3 108 U0 U0 0.30 e 1.6 1019 1.30V 1 1 10 10 4000 (1.0 10 m) π 10 m
2
3
6
2
r = 1m :
P -7 -1 E= 10 J.s 2 S = 2.5 × 4πr
E E 11 1 N 7.4 10 s h hc
E = Nhν
例：当钠光灯的黄光（ 5893A）照射某一光电池时， 为了遏止所有 电子达到阳极，需要 0.30V的负电势。如果用波长 4000A的光照射这
可知
E0 m0c 2 0
当 u c 时, 只有 m0 0，m才能为有限值
一切以光速运动的微观粒子，其静止质量必为零。 即：光子在任何参考系中均以光速运动，找不到 与光子相对静止的参考系。
（3）存在遏止电压 U 0 光电子的最大初动能 1 2 m m eU 0 2
is
i
I2 I1 光强I1
实验指出: 遏止电压 U 0和入 射光频率 有线性关系
-U0 o
频率一定
U
ν
U0
銫 锌 铂
U 0 值不同. 不同金属，
U0
光电子初动能 Ek 和入射光频率 ν 有线性关系。
o 0 0 0
相对论能量和动量关系 E p c E
E0 0 , E pc
E hν h 光子： p = = = c c λ
(3)
光的本性：
光同时具有波、粒二象性，
波、粒二象性的联系： 描述光的 粒子性
E h h p

描述光的 波动性
突出表现在传播过程中 波动性 光的性质 （干涉、衍射） 不同侧面 粒子性 突出表现在与物质相互作用中
W 4) 红限频率： ν0 = （W = hνo 初动能为零) h
产生光电效应的条件：
2
0
例题
波长为 4000 A 的单色光照射在逸出功为 2.0 eV 的金属材料上，求：光电子的初动能，截止电压，红 限频率 1 解： 由光电效应方程： h W m 2
2
Ek h - W 1.77 10-19 hc


-W
6.63 10-34 3 108 4000 10-10
2.0 1.6 10-19
1.771019 1.106 （eV) J 19 1.6 10
-19 E 1 1 . 77 10 eU 0 m 2⇒ U 0 k 1.106V 19 2 e 1.6 10
(1) 光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决 定于光的频率。 (2) 无法解释红限的存在。 (3) 无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。
二
光子 爱因斯坦方程
1 “光量子”假设 ——光具有粒子性 (1) 光可看成是由光子组成的粒子流，
(2) (3)
光子能量:
ε h
光强（光的能流密度S） I N h
（光电效应、康普顿效应、）
单纯用 波动 粒子
均不能完整地描述光的性质
用量子力学描述：光是一种几率波 几率：粒子性， 波：波动性， 几率波：包含了波、粒二象性特征，是对波、粒 二象性的完整描述。
例：计算红光（ 1 6000A）及硬伦琴射线（ 2 1 A）的一个光 子的能量和动量。
0
0
解：红光的光子能量 1及动量p1分别为： 6.63 1034 3 108 19 1 h1 3 . 31 10 J 10 1 6000 10 hc 6.63 1034 27 1 p1 1 . 10 10 kg m s 1 6000 1010 h 硬伦琴射线的能量 2 和动量p 2 分别为： 6.63 1034 3 108 15 2 h 2 1 . 99 10 J 10 2 1.00 10 hc 6.63 1034 24 1 p2 6 . 63 10 kg m s 2 1.00 1010 h
光电效应实验的规律
实验装置及现象 实验规律
i 光强较强 光强较弱
(1) 饱和电流 is 与入射光强成正比.
饱 和 is 电 遏 止 流 电 压 -U0 O
U
V A
U饱和
单位时间内，受光照射的电极上释放 出的电子数和入射光的强度成正比。
0 （2）截止频率（红限）
只有入射光的 频率大于某一频率 0时，电子才会从 金属表面逸出.
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15-2
光电效应 光的波粒二象性
光电效应 : 光照射到金属上,使电子从金属表面逸 出的现象，称为光电效应，逸出的电子称为光电子， 形成的电流称为光电流。 正向电压
一
光电效应实验的规律
1.实验装置
反向电压 +
1 2
一
1 2
N:单位时间通过单位面积的光子个数 （光子流密度）
h 6.631034 J s
普朗克常数
ν ：光子频率
2 爱因斯坦光电效应方程
产生光电效应原因: 电子吸收光子能量产生的。
电子吸收光子能量：一部分为逸出功脱出金属 表面，其余部分为光电子初动能。 由能量守恒： 入射光子能量 = 逸出功 + 光电子初动能
小结：
1 爱因斯坦光量子假设 ——光具有粒子性
2、光的本性：光同时具有波、粒二象性，
波、粒二象性的联系：
E h
p
h

3、光电效应方程 其中：
1 2 h mv W 2
2
1 eU 0 m 2
W = hνo
为什么光子 E0 0 ？
光子的质量 由
m
m0 u 1 2 c
2
θ
ν

(4) 光电效应是瞬时发生 i
t(s)
10-9
实验表明：从光线开始照射直到金属释放电子，无论光的强度 如何，几乎是瞬时的，并不需要经过一段显著的时间，据现代 的测量，这时间不会超过10-9s。
要么不发生，要么立刻发生
3.
经典电磁波理论的困难
19世纪末所发现的上述光电效应和入射光频率的关系 以及延迟时间甚小的事实，是当时大家已完全认可的光的 波动说——麦克斯韦电磁理论——完全不能解释的。经典 物理认为：光是一种电磁波，产生光电效应的原因：电磁 波的振动，导致电子振动产生的。
0
三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图 光
放大器
接控制机构
光电倍增管
四 光的波粒二象性
（1）波动性：光的干涉和衍射
（2）粒子性：光电效应等
2 E = m c = hν 光子：
ν, λ
能量和动能的关系：
E E K E0
2 2 2 2 0
0 称为截止频率或红限频率
只有 ν ≥ ν0， 才有光电效应发生
截止频率与材料有关与光强无关.
（3）存在遏止电压 U 0 →光电子具有初动能
i+
U 反向电压
i
s
i
I 2 I1 光强I1
光电子的最大初动能
-U0 o
频率一定
U
1 2 m m eU 0 2
U 0：截止电压的大小（ U0 0 ）
截止电压
W 2.0 ×1.6 ×10-19 14 红限频率 W = hνo ⇒νo = = = 4 . 8 × 10 Hz -34 h 6.63×10
例1 一半径为 1.0 103 m 的薄圆片， 距光源1.0m . 光源的功率为1W，发射波长 589nm的单色光 . 假定光源向各个方向发射 的能量是相同的，试计算在单位时间内落在 薄圆片上的光子数 . 解