18-(4-5)光电效应_爱因斯坦方程PPT精品文档48页

1916年美国物理学家罗伯特·密立根 (Robert Andrews Millikan,1868～ 1953)历经十年，发表了光电效应实验 结果，验证了爱因斯坦的光量子说。 （获1923年诺贝尔物理学奖）
密立根 3
二 光电效应
A V
光照射在金属K上，有电子 逸出，在电场作用下飞向阳 极A，成为光电流iP。
9
பைடு நூலகம்
三 光子假说 爱因斯坦方程 1 光子假说
光是一束以c运动着一粒一粒的粒子流，每一个光子 所带能量=h，不同的频率的光子具有不同的能量。 这些粒子就是光量子，现称光子。
10
2 光子理论对光电效应的解释
光不仅在发射和吸收时表现出量子性，而且在空间传播 时也表现出量子性 -- 提出了辐射的电磁场也具有量子性。 (1) 解释光电子数与光强成正比 依假设：一能流密度为S的光量子（光子）组成的单色光， 单位时间通过垂直于光传播方向的单位面积的光子数为N，
Ludwig Planck，1858-1947）在1900
年创立了量子假说，即物质辐射（或吸收）
的能量只能是某一最小能量单位（能量量
子）的整数倍。他引进了一个物理普适常
数，即普朗克常数，是微观现象量子特性
的表征。
2
爱因斯坦
德 国 科 学 家 爱 因 斯 坦 （ Albert Einstein ， 1879-1955 ） 在 普 朗 克 的 量子假设基础上，给出了光电效应方 程，成功解释了光电效应的全部实验 规律。（获1921年诺贝尔物理学奖）
光电效应
在一定频率光的照射下，金属或其化合物表 面发出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电 子叫光电子。
1
一 历史背景
德国物理学家赫兹 （Heinrich Rudolf Hertz， 1857-1894）1887年在实验 中首次发现了光电效应。
赫兹
普朗克
德国物理学家普朗克（Max Karl Ernst
逸出功：电子逸出物体表面
所需要的最小能量A=eU0。
(1)每种金属都有各自对应的红限频率。
金属
铯钠 锌 铱 铂
截止频率
0 /1014Hz 4.545 5.50 8.065 11.53 19.29
8
(2)红限频率对应于光电子初动能为零时的入射光频率。 小于红限频率的入射光都不能产生光电效应。
(3)经典物理解释不了此规律。
h
红限频率：
0
A0 h
12mm 2vaxekeU0
对照后可得： h ek A0 eU0
13
(3) 解释光电效应的瞬时性。
电子只吸收一个光子，无需 能量的积累过程。
爱因斯坦理论圆满地解释了 光电效应。1921年因此获诺贝 尔奖。
1916年，密立根（Milikan） 对光电效应进行了精密测量 也由此获1923年的诺贝尔奖 （另一原因是他用油滴法精 确地测定了电子电量）。
实验规律：
饱 和
iH
ip
电
流
入射光强度
I S3
I S2
I S1
U
Ua 遏止电压
4
1 第一定律：单位时间从金属表面
i i 逸出的光电子数目与入射光强IS成 H p
正比。
饱和：从K射出的电子全部飞向 阳极A，形成饱和电流。
I S3 I S2 I S1 U
设单位时间从K飞出n个电子， 则：
IS iHne
h 1mv2 A
2
A v
若电子刚好在金属表面，则A有极小值A0， 电子可获得最大动能
h12mm 2vax A0
A0称为“逸出功”或“功函
爱因斯坦 光电效应方程
12
爱因斯坦光 电效应方程
h12mm 2vax A0
A0为“逸出功” 或“功函数”
1m 2
vm 2
a
xhA0
初动能与频率有关。
hA00
A0
Ua称为遏止电压
6
实验还表明：光电子的最大初动能(遏止电压)随与入射光频率 增大而线性增大，与入射光的强度无关。
Ua kU0
式中： U0 -- 决定于金属性质 k -- 与金属性质无关
的普适恒量
ip
1 2
mv2
eUa
12mvm 2 ax eUa
1m 2
v2 ek
eU0
12mm 2vaxekeU0
3
h
束缚 金属 电子
A v
14
四 光的波粒二象性
(1) 波动性：光的干涉和衍射等 (2) 粒子性：光电效应、康普顿散射等 光子在相对论中能量和动量关系
E2p2c2E02
E h h
E00,
Epc
p cc
描述光的 粒子性
Eh
p h
描述光的 波动性
光子不仅具有波动性，同时也具有粒子性，即波粒二象性。15
U ip iH(饱和 )
经典物理的解释：电子从金 属中逸出要克服阻力作功。 光 强 越 大 ， 光 振 辐 E0 越 大 ， 受强迫的电子振动动能越大， 能克服阻力逸出金属表面的 电子越多。故与光强成正比。
5
2 第二定律：光电子数的最大初 动能随入射光的频率增大而线性 增大，而与入射光强度无关。
2 1
Ua
Ua3Ua2 Ua1
U
ν0
ν
7
3 第三定律：当光照射到某一给定的金属时，无论光的强度
如何，小于红限频率的入射光都不能产生光电效应。
12mm 2vaxekeU0
1 2
m vm2 ax
0
ekeU0
U0 k
注意：
入射光频率要大于U0 / k 才能产生光电效应。
红限频率
0
U0 k
逸出功 A0 eU0
iH i p
实 验 表 明 ： 当 U=0 ， 乃 至 U<0 时，即电场阻止电子飞向阳极， 但仍有电子飞向阳极，说明光 Ua 电子有初动能。
I S3 I S2 I S1 U
当反向电压增至一定值Ua时，光电流 i p 0
说明初动能最大的电子也不能到达阳极。
电子的初动能：
1 2
mv2
eUa
12mvm 2 ax eUa
则： SNh
显然，光强越大（S大），单位时间入射到金属表面的光子数N 越大，获得光子的电子数也越多即光电子数与光强成正比。 11
(2) 解释光电子的初动能与入射频率有关，
而与入射光光强无关。
当光照射到金属内部的电子它一 次吸收了一个能量为hv的光子，
束缚 电子
h
金属
在上升到表面时将失去一部分能
量A，依能量守恒定律：
按经典物理电磁理论，光强愈大，电磁波振辐愈 大，电子受强迫力愈大，故光电子初动能应与入射 光强度相关，更不应存在红限频率。
4 光电效应的瞬时性。
实验表明：当光照射后，只要光子能量大于逸出功， 几乎不要时间（10-9s）便有光电子从阴极逸出。
这一点也是经典物理不能解释的。按经典物理，电子从光 波场中吸取能量要有一定的时间积累，光强愈小，积累的 时间越长。