光电效应

E h
h 6.6310
34
J s
在爱因斯坦的描绘下，我们可 以很粗略地打个比方：光似乎是一 群“光子雨”，光的频率反映出雨 点的力量。雨霭茫茫的形象，从另 一角度看是由点点滴滴的雨粒构成 的。 对于“光子是什么样子的？” 的确很难具体生动地说清楚。 为什么这么困难?因为我们的经验 局限于宏观物体的运动,微观世界的某些属性与宏观世界 不同,我们从来没有类似的经历.随着人类认识的范围扩展 不可能直接感知的事物将不断出现,有时设想出来的模型 尽管看起来很古怪,但只要能与实验结果一致,它就能在一 定范围内代表所研究的对象。
固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子. 电子热运动能量
h ，可近似为静止电子.
电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.
3、理论分析 能量守恒
hv0 m0c h mc
2
2
h y e h 0 c e0 e c
动量守恒
h 0 h e0 e mv mv c c 2 2 2 2 2 h 0 h h 0 2 2 m v 2 2 2 2 cos c c c v2 2 m 2c 4 (1 2 ) m0 c 4 2h 2 0 (1 cos ) 2m0c 2 h( 0 ) c
e0

x
v 2 4 2 2 m c (1 2 ) m0 c 2h 0 (1 cos ) 2m0c h( 0 ) c
2 2 4
m m0 (1 v / c )
2
2 1/ 2
h (1 cos ) 0 0 m0c
eU0 Ekm h h 0
可见：遏止电势差U0与入射光频率ν具有线 性关系.
问题：如果用图象来描述会如何呢？
U0
Cs K Cu
0

这一实验证明了光电效应的重要规律： 极限（截止）频率：能使某种金 属发生光电效应的照射光的最小频率。 不同金属的极限频率（极限波长）不 同。 （对应的光的波长叫极限波长或 最大波长）截止频率与材料有关与光 强无关
饱 和 电 流
im
光强I
三、（爱因斯坦）光电效应方程：
其中：Ekm表示光电子的最大初动能， hν表示一个光子的能量，W为金属的 逸出功（电子脱离金属所需做的最小 功）： W h
0
Ekm /J
Ekm h W
ν / Hz
问题：概念辨析 1、光电子与光子
2、光电子最大初动能与初动能
处于一定温度的物体在向外辐射电 磁能量的同时，也要吸收由其他物体 辐射的电磁能量，如果它处在平衡状 态，则能量保持不变。 若不考虑物体表面性质对辐射与吸 收的影响。我们定义一种理想的物体. 它能100%地吸收入射到其表面的电磁 辐射.这样的物体称为黑体.
2. 黑体辐射实验规律 能全部吸收各种波长的辐射能而不发 生反射，折射和透射的物体称为绝对黑 体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可 近似看作黑体。
问题：从光子说出发重新思考什么是 光的强度？光的强度与哪些因素有关？ 光的强度即单位时间内照射到单位 面积上的光的能量。也叫光强。 从光子说来看：光子数越多，光的 频率越高，则光越强。
从光子说出发思考：用功率P0=1W的光源，
照射离光源r=3m处的某块金属的薄片，已知 光源发现的是波长λ=589nm的单色光，若取该 金属原子核r1=0.5×10－10m，则金属表面上每 个原子平均需隔多少时间才能接收到一个光子？
ε=hν
h=6.626×10-34J· s
能量
经典
量子
e0 ( , T )
实验值
普朗克
1
2
3
4
5
6
7
8 9 λ (μ m)
黑体辐射的研究卓有成效地展现 人们的眼前，紫外灾难的疑点找到 了，为人类解决了一大难题。使热 爱科学的人们又一次倍感欣慰，但 真理与谬误之争就能平息了吗？
复习回顾：
1、热辐射的特点： ①辐射的能量中包含各种波长的电 磁波； ②物体在室温时热辐射的主成分是波长较长的 电磁波，频率越低；温度越高，短波的成分越来越强， 频率越高。即单位时间从物体表面单位面积上辐射的 能量越大； ③在辐射的总能量中，各种波长所占的百 分比不同。
M 0 (T )
实验值
紫 外 普 灾 朗 难 克 线
维恩线
瑞利--金斯线
o
1
2
3
4
5
6
7
பைடு நூலகம்
8
/μm
3.能量子 超越牛顿的发现
辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子， 这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些 谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态 中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的 可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε （称为能量子）的整数倍，即：ε, 1 ε, 2 ε, 3 ε, ... n ε. n为正整数，称为量子数。
3、极限频率、极限波长、逸出功 4、光的能量、光的强度与光子的能量
5、 照射光和光电子
照射光 光电子
频率： 决定着每个光子的能量 E=hν
强度： 决定每秒钟光源发射的光子数 每秒逸出光电子数 光电子逸出后的最大初动能（EK）
四.光电效应在近代技术中的应用
放大器
控制机构
可以用于自动控制，自动计数、自动报警、 自动跟踪等。 还记得光敏电阻吗？
能量量子化；物理学的新纪元
1、黑体与黑体辐射 固体或液体，在任何温度下都在发 热辐射： 射各种波长的电磁波，这种由于物体中的 分子、原子受到激发而发射电磁波的现象 称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度 有关。 固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
1200K
1400K
热辐射具有如下特点：
①辐射的能量中包含各种波长的电磁波； ②物体在室温时热辐射的主成分是波 长较长的电磁波，频率越低；温度越 高，短波的成分越来越强，频率越高。 即单位时间从物体表面单位面积上辐 射的能量越大； ③在辐射的总能量中，各种波长所占 的百分比不同。
几种纯 金属的截 止频率 金属 铯 钠 锌 铱 铂 截止频率 0 / 1014 Hz 4.545 5.50 8.065 11.53 19.29
在上述实验的同样装置下进行另一实验： 实验做法：在光的强度 一定的情况下，置于正 向电压，即将双掷开关 掷于cd，改变滑片位置。
电流饱和值 m 的研究
i
2、黑体：能全部吸收各种波长的辐射能而不发 生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简 称黑体 一般材料的物体，辐射的电磁波的情况除与 温度有关外，还与材料及表面状况有关。但黑 体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 温度有关。
3、能量子：电磁辐射是一份一份的， 每一份叫一个能量子。E=Hν， h=6.63×10-34J· s（普朗克常量） 能量量子化
波动理论与光电效应实验规律相矛 盾，说明它存在局限性，必须加以修 正和补充。
为了解决光电效应中的有关问题， 爱因斯坦提出“光子说”。
二、光子、光子说
1、前提（基础）：（德国）普朗克 的电磁波的吸收和辐射理论。 2、光子说（爱因斯坦）：空间传播的 光是不连续的，而是一份一份的，每 一份叫做一个光量子，简称光子。光 子的能量跟光的频率成正比。
与光电管的工作原理有些相似
五、康普顿效应：
1920年，美国物理学家康普顿在观察X射 线被物质散射时，发现散射线中含有波长发 生变化了的成分.
一 实验装置
2、物理模型
光子
0
y
v0 0
电子
y
x
光子

5

电子

x
入射光子（ X 射线或
E h
射线）能量大
.
范围为： 4 10
~ 10 eV
第二节：光的粒子性
问题1：回顾前面的学习，总结 人类对光的本性的认识的发展 过程？
问题2：什么是光电效应？物 理学家在对光电效应的初步研 究中发现了哪些实验规律？ 问题3：旧理论与新的实验事 实是否相符合？为什么？
实验:
指针偏转
弧光灯
灵 敏 电 流 计
锌 板
铜 网
高压电源 紫光照射时电流计指针发生偏转
科学这艘航船，在战胜了大量的水 下暗礁和猛烈的暴风雨之后，刚要驶 进宁静的港湾时，在物理学晴朗的天 空还存在两朵令人不安的乌云： （1）黑体辐射紫外灾难； （2）迈克尔逊得到的地球相对于 “以太”速度的零结果。”
科学史上的最强阵容，创造物理学上的奇 迹，建立了量子论体系——量子力学
能量量子化
物理学的新纪元
光的能量是连续的,光强与振幅有关，振 幅越大，则光强越强，光能越大，光的能 量与频率无关。
波动理论对光电效应实验的理论预测：
1、光电子最大初动能E的大小应与光强有 关，与v无关。 2、当用弱光照射时，能量积累需要一个 过程，经足够长时间后，电子获得了足够 多的能量将飞离金属表面。 3、入射光的强度越大，电子获得的动能 将较大，会有更多的光电子逸出。
物理难题：1888年，霍瓦(Hallwachs)发现 一充负电的金属板被紫外光照射会放电。 近10年以后，因为1897年，J.Thomson才 发现电子 ，此时，人们认识到那就是从金 属表面射出的电子，后来，这些电子被称 作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做 光电效应。人们本着对光的完美理论（光 的波动性、电磁理论）进行解释会出现什 么结果？
一、光电效应：
1、定义：在光（包括不可见光）的 照射下，物体发射电子的现象。叫光 电效应；发出的电子叫光电子。
思考：电子为什么会脱离金属离子的 束缚呢？
电子若从金属中挣脱出来，必须克 服离子引力做功，因此必须吸收能量。 这个能量是由光来供给的。
2、逸出功：使电子脱离某种金属所做 功的最小值，叫逸出功。从金属表面逸 出时，克服离子的吸引力做的功最小。 思考：回顾光的波动理论，用波动理论 预测光电效应实验有什么结论？