2、光电效应
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光电倍增管(photomultiplier) 是把光信号变为电信号的常用器件。
光电倍增管
可对微弱光线进行放大，可使光电 流放大 105 ~ 108 倍，灵敏度高，用在 工程、天文、科研、军事等方面。
K
K2
K1
K4 K3
K5
A
爱因斯坦与康普顿
实验装置示意图: X光被石墨散射
X 射线管 光阑
晶体
石墨体 (散射物质）
光子衍射
在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同 曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍 射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。
单缝衍射像
圆孔衍射像
对光的波粒二象性的理解
实验基础
表现
说明
光 的 波 干涉和衍射 动 性
（1）光子在空间各点出现 （1）光的波动性是光子
的可能性大小可用波动规 本身的一种属性，不是
在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把 一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。从上式看， 动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长变大。
hv
托马斯·杨双
惠 缝干涉实验
麦
更
克
斯
斯
波 动 说
菲涅耳衍 射实验
韦 电 磁
说
光电效应
p h l波
动
赫兹电磁 波实验
性
试作出U c-v图象并通过图象求出： （1）这种金属的截止频率； （2）普朗克常量。
规律方法技巧
1.解释光电效应主要有两条线索：①通过光的强度的分析：入 射光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；②通过频率的分 析：光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大.
2.两幅图象
EK
0
ν0
ν
－W0
3.光电效应中几个物理量间的关系
EK
EK h -W 0 0
－W0
ν0
ν
爱因斯坦光电效应方程
EK
EK h -W 0
0 ν0 ν －W0
这个方程表明，只有当hv>W0时，光电子才可以从金属中逸 出，vc=W0/h就是光电效应的截止频率。
这个方程还表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v有关， 而与光的强弱无关。这就解释了截止电压和光强无关。
散射线中的 l 成分
是光子与原子实发生
弹性碰撞的结果。
散射线中的l l 成分 是光子与外层电子 发生弹性碰撞 的结果。
c
l
cc c
c
l
X射线 l
散射体
康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是： 光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普 朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为 p=h/ λ。
（1）最大初动能与照射光的频率关系：Ek=hv- W0
（2）逸出功与截止频率关系：W0=hvc （3）最大初动能与 遏止电压的关系：Ek=eUc （4）遏止电压与照射光的频率关系：Uc=hv/e- W0/e
三、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 光强成正比的特性,可以制造光电 转换器——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(photoelement)等，广泛应 用于光功率测量、光信号记录、电 影、电视和自动控制等诸多方面。
(四)康普顿效应的意义
验证了 小结： 光具有波粒二象性
验证了
验证了微观领域 动量守恒和能量守恒
两定律仍然成立
波动性
频率 波长l
光既是波又是粒子
越高, l 越短,则粒子性越强 越低, l 越长,则波动性越强
粒子性
能量
动量p
电子一次性吸引光子的全部能量，不需要积累的时间，光电流 自然几乎是瞬时产生的。
对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光 子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
光越强，光电子的初动能应该越大， 4. 光电效应理论的验证
所以截止电压Uc应该与光的强弱有关
美国物理学家密立根，花了十
2
光电效应
►实验探究
把一块锌板连接在验电器上，用 1.光电效应：照射到金属表面的光，能
紫外线灯照射锌板，观察验电器指针 使金属中的电子从表面逸出，这个现象
的变化。
称为光电效应(photoelectric effect) ，这
这个现象说明了什么问题？
种电子常称为光电子。
►实验演示
说明：
（1）照射到金属表面的光含不可见光如 紫外线等；
一.光电效应 (一)实验规律
光的波粒二象性
光电子有最大初动能
截止电压(cutoff voltage)
与入射光强 I 无关 饱和光电流强度
若
,
没有光电效应
驰豫时间<10-9s
几乎瞬时发生
eK eU0 m um2 ax / 2
红限(截止)频率
Uc(V) 2.0
1.0 4.0
Cs Na Ca
(1014H
X 射 线 谱 仪
ll
l
ll
l
X射线 l
其光子能量比可见 光光子能量大上万倍
散射体
康普顿最初用石墨， 其原子序数不太大、 电子结合能不太高。
外层电子
l
原子核与内层电 子组成的原子实
1923年用X射线通过石墨的散射实验 进一步证明光的粒子性。光子与电子 碰撞服从能量及动量守恒定律。
实验结果
在散射X 的射线中,除了与入 射波长λ0相同成分外，还有波长 大于λ0的成分 ，这个现象称为 康普顿效应(Compton effect).
（2）光电效应的实质是金属中的电子获 得能量后逸出金属表面，从而使金属带上 正电。因光照射逸出的电子叫光电子。
►实验探究
►演示实验
实验发现以下规律： ●存在着饱和电流
●存在着遏止电压和截止频率 ●光电效应具有瞬时性
相关知识
2.光电效应规律
（1）每种金属都有一个极限频率， 入射光频率必须大于这个频率才会 发生光电效应． （2）光电子的最大初动能与入射 光的强度无关，只随入射频率增大 而增大． （3）光电效应的发生几乎是瞬时 的，一般不超过10－9s. （4）当入射光的频率大于极限频 率时，饱和光电流的强度与入射光 的强度成正比．
如果光很弱，按经典电磁理论估算， 年时间做了“光电效应”实验，结
电子需要几分钟到十几分钟的时间才
能获得逸出表面所需的能量
果在 1915 年证实了爱因斯坦方程，
1905以年上提三出个光结量论子都（与光实子验）结理果论相，矛成盾功 h 的值与理论值完全一致，又一次 解的光释，电光所效电以应效无。应法。用1经92典1年的获波诺动贝理尔论物来理解奖释。 证明了“光量子”理论的正确。
v/1014HZ 5.644 5.888 6.098 6.303 6.501
利用光电子的初动能Ek = eUc 和爱因 斯坦光电效应方程Ek＝hv－ W0 ，可以消 去Ek ，从而得到Uc与v 、 W0的关系，即
Uc=hv/e- W0/e
对于确定的金属，其逸出功W0是确 定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常 量。上式中的截止电压Uc与光的频率v 之间是线性关系， Uc -v图像是一条斜 率为h/ e的直线
光电效应经典解释中的疑难
3.爱因斯坦的光电效应理论
逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功 的最小值，叫做这种金属的逸出功。
光越强，逸出的电子数越多，光电流 也就越大
不管光的频率如何，只要光足够强， 电子都可以获得足够能量从而逸出表 面，不应存在截止频率。
（1）“光子”假设 光子能量E＝hv
（2） 爱因斯坦光电效应方程
n
2
m 2v 2
l
散射ν0、l 0
hc
hc
l0
m0c 2
l
m c2
2h2
l0l
2m0c(
h
l0
h
l
)
m02c 2
2h2
l0l
cos
m02c 2
思考： 散射中为何还观测到的与入射波长相同的散射？
散射体中还有大量被原子核紧紧束缚着的电子，光子和这些电子的碰撞事 实上等效于光子和整个原子的碰撞。由于原子的质量比光子质量大得多，光子 和原子碰撞后，光子的能量几乎没有变化，所以散射波频率不变。
1690
1801光1的81偏4 振 1864
康普顿效应
1888
干涉实验
赫兹实验
衍射实167验2
1905 19161922
T /年（具有能量）
h
（具有频率）
牛
个人威望
顿 微
粒
说
牛
顿波动说
微粒说微粒说惠更斯
牛顿 占
赫兹发现 光电效应
电磁说
麦克斯韦
爱 因
粒（具有动量） p
斯
光子坦说
子 康波普粒顿二象性 效应
imax n光电子 n光子 I
普朗克的假定不协调
只涉及辐射体的发射或吸收,未涉及 辐射场在空间的传播.
爱因斯坦的光量子论(1905)
电磁场由大量光量子(光子)组成
能量 = h
动量 p= h/λ
以光速 c运动
光子碰电子→瞬时效应
只能“整个地”被电子吸收或放出
二.康普顿效应 (一)实验规律
X射 线源
律来描述。（2）足够能量 光子之间相互作用产生
的光在传播时，表现出波 的。（2）光的波动性不
的性质
同于宏观观念的波
光
的 粒 子
光电效应、 康普顿效应
性
（1）当光同物质发生作用 时，这种作用是“一份一份”
进行的，表现出粒子的性 质。（2）少量或个别光子 容易显示出光的粒子性
（1）粒子的含义是“不 连续”“一份一份”的。 （2）光子不同于宏观观 念的粒子
爱因斯坦光电效应方程给出了光电 子的最大初动能Ek与入射光的频率v的关 系。但是，很难直接测量光电子的动能， 容易测量的是遏止电压Uc。那么，怎样 得到截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0 的关系呢？提示：Ek = eUc
例题：由密立根实验(Uc和v的关系)计 算普朗克常量
Uc/V 0.541 0.637 0.714 0.809 0.878
准直 系统
石墨 散射光l
探 测
散射体
器
电子的Compton波长
(二)实验与经典电磁理论的矛盾
康普顿X射线散射实验装置
入射ν0、l 0→
外层电子振动ν0 →
(三)康普顿的解释
hc
l0
h
l0
n0
m0c2 0
hc
l
h n
l
mc2 mv
(
h l0 h l0
h l
n0
m0c )2 m2c2
h
干涉 极少，光子将会在屏上出 涉理论算得的各明纹区域，光子
实验 现的确切位置无法预测。
摄 影
出现的概率最大； 各暗纹区域，光子 出现的概率最小。
底
继续延长曝光时间，
板
可得到名暗连续变
或
化的双缝干涉清晰
显
图像，并与强光入
微 观 察
射（大量光子同时 入射）一次曝光的 情况等效。
光子的行为不能用经典粒子的运动状态参量描述和准确预测； 光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。
6.0 8.0 1z0).0
GD K
光 A 光电子
G V
_ +
光电效应实验装置
光强 光强
(二)实验结果与经典电磁理论的矛盾
经典 电磁理论
光能量决定于I与ν无关
不存在截止频率! 不可能瞬时发生!
(三)爱因斯坦对实验的解释
爱因斯坦的解释
m
u2源自文库max
/
2
h
A逸
eUc
Uc (h A逸 ) / e
0 A逸 / h
偏移机理示意图 按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒
的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐 射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动 的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会 在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。
光
爱因子斯坦
性
说 密立根光电
效应实验
l （具有波长）
能量为 ε、动量为 p 的粒子与频率为 v、
波长为 l 的波相联系，并遵从以下关系：
主 导
光既具有波动性，又具有粒子性
地
位
波动说渐成真理
ε = mc2 = hv
p m h l
光的波粒二象性二的象统性计观统点计解释解释
双缝 令入射光极弱，光子数目 延长曝光时间，可发现在光波干
光电倍增管
可对微弱光线进行放大，可使光电 流放大 105 ~ 108 倍，灵敏度高，用在 工程、天文、科研、军事等方面。
K
K2
K1
K4 K3
K5
A
爱因斯坦与康普顿
实验装置示意图: X光被石墨散射
X 射线管 光阑
晶体
石墨体 (散射物质）
光子衍射
在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同 曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍 射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。
单缝衍射像
圆孔衍射像
对光的波粒二象性的理解
实验基础
表现
说明
光 的 波 干涉和衍射 动 性
（1）光子在空间各点出现 （1）光的波动性是光子
的可能性大小可用波动规 本身的一种属性，不是
在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把 一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。从上式看， 动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长变大。
hv
托马斯·杨双
惠 缝干涉实验
麦
更
克
斯
斯
波 动 说
菲涅耳衍 射实验
韦 电 磁
说
光电效应
p h l波
动
赫兹电磁 波实验
性
试作出U c-v图象并通过图象求出： （1）这种金属的截止频率； （2）普朗克常量。
规律方法技巧
1.解释光电效应主要有两条线索：①通过光的强度的分析：入 射光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；②通过频率的分 析：光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大.
2.两幅图象
EK
0
ν0
ν
－W0
3.光电效应中几个物理量间的关系
EK
EK h -W 0 0
－W0
ν0
ν
爱因斯坦光电效应方程
EK
EK h -W 0
0 ν0 ν －W0
这个方程表明，只有当hv>W0时，光电子才可以从金属中逸 出，vc=W0/h就是光电效应的截止频率。
这个方程还表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v有关， 而与光的强弱无关。这就解释了截止电压和光强无关。
散射线中的 l 成分
是光子与原子实发生
弹性碰撞的结果。
散射线中的l l 成分 是光子与外层电子 发生弹性碰撞 的结果。
c
l
cc c
c
l
X射线 l
散射体
康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是： 光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普 朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为 p=h/ λ。
（1）最大初动能与照射光的频率关系：Ek=hv- W0
（2）逸出功与截止频率关系：W0=hvc （3）最大初动能与 遏止电压的关系：Ek=eUc （4）遏止电压与照射光的频率关系：Uc=hv/e- W0/e
三、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 光强成正比的特性,可以制造光电 转换器——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(photoelement)等，广泛应 用于光功率测量、光信号记录、电 影、电视和自动控制等诸多方面。
(四)康普顿效应的意义
验证了 小结： 光具有波粒二象性
验证了
验证了微观领域 动量守恒和能量守恒
两定律仍然成立
波动性
频率 波长l
光既是波又是粒子
越高, l 越短,则粒子性越强 越低, l 越长,则波动性越强
粒子性
能量
动量p
电子一次性吸引光子的全部能量，不需要积累的时间，光电流 自然几乎是瞬时产生的。
对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光 子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
光越强，光电子的初动能应该越大， 4. 光电效应理论的验证
所以截止电压Uc应该与光的强弱有关
美国物理学家密立根，花了十
2
光电效应
►实验探究
把一块锌板连接在验电器上，用 1.光电效应：照射到金属表面的光，能
紫外线灯照射锌板，观察验电器指针 使金属中的电子从表面逸出，这个现象
的变化。
称为光电效应(photoelectric effect) ，这
这个现象说明了什么问题？
种电子常称为光电子。
►实验演示
说明：
（1）照射到金属表面的光含不可见光如 紫外线等；
一.光电效应 (一)实验规律
光的波粒二象性
光电子有最大初动能
截止电压(cutoff voltage)
与入射光强 I 无关 饱和光电流强度
若
,
没有光电效应
驰豫时间<10-9s
几乎瞬时发生
eK eU0 m um2 ax / 2
红限(截止)频率
Uc(V) 2.0
1.0 4.0
Cs Na Ca
(1014H
X 射 线 谱 仪
ll
l
ll
l
X射线 l
其光子能量比可见 光光子能量大上万倍
散射体
康普顿最初用石墨， 其原子序数不太大、 电子结合能不太高。
外层电子
l
原子核与内层电 子组成的原子实
1923年用X射线通过石墨的散射实验 进一步证明光的粒子性。光子与电子 碰撞服从能量及动量守恒定律。
实验结果
在散射X 的射线中,除了与入 射波长λ0相同成分外，还有波长 大于λ0的成分 ，这个现象称为 康普顿效应(Compton effect).
（2）光电效应的实质是金属中的电子获 得能量后逸出金属表面，从而使金属带上 正电。因光照射逸出的电子叫光电子。
►实验探究
►演示实验
实验发现以下规律： ●存在着饱和电流
●存在着遏止电压和截止频率 ●光电效应具有瞬时性
相关知识
2.光电效应规律
（1）每种金属都有一个极限频率， 入射光频率必须大于这个频率才会 发生光电效应． （2）光电子的最大初动能与入射 光的强度无关，只随入射频率增大 而增大． （3）光电效应的发生几乎是瞬时 的，一般不超过10－9s. （4）当入射光的频率大于极限频 率时，饱和光电流的强度与入射光 的强度成正比．
如果光很弱，按经典电磁理论估算， 年时间做了“光电效应”实验，结
电子需要几分钟到十几分钟的时间才
能获得逸出表面所需的能量
果在 1915 年证实了爱因斯坦方程，
1905以年上提三出个光结量论子都（与光实子验）结理果论相，矛成盾功 h 的值与理论值完全一致，又一次 解的光释，电光所效电以应效无。应法。用1经92典1年的获波诺动贝理尔论物来理解奖释。 证明了“光量子”理论的正确。
v/1014HZ 5.644 5.888 6.098 6.303 6.501
利用光电子的初动能Ek = eUc 和爱因 斯坦光电效应方程Ek＝hv－ W0 ，可以消 去Ek ，从而得到Uc与v 、 W0的关系，即
Uc=hv/e- W0/e
对于确定的金属，其逸出功W0是确 定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常 量。上式中的截止电压Uc与光的频率v 之间是线性关系， Uc -v图像是一条斜 率为h/ e的直线
光电效应经典解释中的疑难
3.爱因斯坦的光电效应理论
逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功 的最小值，叫做这种金属的逸出功。
光越强，逸出的电子数越多，光电流 也就越大
不管光的频率如何，只要光足够强， 电子都可以获得足够能量从而逸出表 面，不应存在截止频率。
（1）“光子”假设 光子能量E＝hv
（2） 爱因斯坦光电效应方程
n
2
m 2v 2
l
散射ν0、l 0
hc
hc
l0
m0c 2
l
m c2
2h2
l0l
2m0c(
h
l0
h
l
)
m02c 2
2h2
l0l
cos
m02c 2
思考： 散射中为何还观测到的与入射波长相同的散射？
散射体中还有大量被原子核紧紧束缚着的电子，光子和这些电子的碰撞事 实上等效于光子和整个原子的碰撞。由于原子的质量比光子质量大得多，光子 和原子碰撞后，光子的能量几乎没有变化，所以散射波频率不变。
1690
1801光1的81偏4 振 1864
康普顿效应
1888
干涉实验
赫兹实验
衍射实167验2
1905 19161922
T /年（具有能量）
h
（具有频率）
牛
个人威望
顿 微
粒
说
牛
顿波动说
微粒说微粒说惠更斯
牛顿 占
赫兹发现 光电效应
电磁说
麦克斯韦
爱 因
粒（具有动量） p
斯
光子坦说
子 康波普粒顿二象性 效应
imax n光电子 n光子 I
普朗克的假定不协调
只涉及辐射体的发射或吸收,未涉及 辐射场在空间的传播.
爱因斯坦的光量子论(1905)
电磁场由大量光量子(光子)组成
能量 = h
动量 p= h/λ
以光速 c运动
光子碰电子→瞬时效应
只能“整个地”被电子吸收或放出
二.康普顿效应 (一)实验规律
X射 线源
律来描述。（2）足够能量 光子之间相互作用产生
的光在传播时，表现出波 的。（2）光的波动性不
的性质
同于宏观观念的波
光
的 粒 子
光电效应、 康普顿效应
性
（1）当光同物质发生作用 时，这种作用是“一份一份”
进行的，表现出粒子的性 质。（2）少量或个别光子 容易显示出光的粒子性
（1）粒子的含义是“不 连续”“一份一份”的。 （2）光子不同于宏观观 念的粒子
爱因斯坦光电效应方程给出了光电 子的最大初动能Ek与入射光的频率v的关 系。但是，很难直接测量光电子的动能， 容易测量的是遏止电压Uc。那么，怎样 得到截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0 的关系呢？提示：Ek = eUc
例题：由密立根实验(Uc和v的关系)计 算普朗克常量
Uc/V 0.541 0.637 0.714 0.809 0.878
准直 系统
石墨 散射光l
探 测
散射体
器
电子的Compton波长
(二)实验与经典电磁理论的矛盾
康普顿X射线散射实验装置
入射ν0、l 0→
外层电子振动ν0 →
(三)康普顿的解释
hc
l0
h
l0
n0
m0c2 0
hc
l
h n
l
mc2 mv
(
h l0 h l0
h l
n0
m0c )2 m2c2
h
干涉 极少，光子将会在屏上出 涉理论算得的各明纹区域，光子
实验 现的确切位置无法预测。
摄 影
出现的概率最大； 各暗纹区域，光子 出现的概率最小。
底
继续延长曝光时间，
板
可得到名暗连续变
或
化的双缝干涉清晰
显
图像，并与强光入
微 观 察
射（大量光子同时 入射）一次曝光的 情况等效。
光子的行为不能用经典粒子的运动状态参量描述和准确预测； 光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。
6.0 8.0 1z0).0
GD K
光 A 光电子
G V
_ +
光电效应实验装置
光强 光强
(二)实验结果与经典电磁理论的矛盾
经典 电磁理论
光能量决定于I与ν无关
不存在截止频率! 不可能瞬时发生!
(三)爱因斯坦对实验的解释
爱因斯坦的解释
m
u2源自文库max
/
2
h
A逸
eUc
Uc (h A逸 ) / e
0 A逸 / h
偏移机理示意图 按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒
的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐 射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动 的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会 在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。
光
爱因子斯坦
性
说 密立根光电
效应实验
l （具有波长）
能量为 ε、动量为 p 的粒子与频率为 v、
波长为 l 的波相联系，并遵从以下关系：
主 导
光既具有波动性，又具有粒子性
地
位
波动说渐成真理
ε = mc2 = hv
p m h l
光的波粒二象性二的象统性计观统点计解释解释
双缝 令入射光极弱，光子数目 延长曝光时间，可发现在光波干