量子物理学-光电效应与光量子假说20150920

一、光电效应的实验规律

1、光电效应

光照射在金属及其化合物的表面上发射电子的现象称为光电效应（photoelectric effect ）。实验装置为光电管，在阴极金属表面逸出的电子称为光电子（photoelectron ），电路中出现的电流形成光电流（photocurrent ）。

2、实验规律：

（1）饱和光电流：电流强度随光电管两端电压的增加而增加，在入射光强一定时光电流会随U 的增大而达到一饱和值i m ，且饱和电流与入射光强I 成正比。

（2）遏止电压：将光电管上的电压反向，电子的运动受到抑制，实验发现当反向电压不太大时仍有光电流存在，这说明从阴极发射的光电子具有一定的初速度，当反向电压大到一定数值U a 时光电流完全变为零，称U a 为遏止电压。显然电子有初动能与U a 之间有关系

a eU m =2v 2

1

（3）红限（截止）频率：当入射光的频率改变时遏止电压随之改变，实验发现两者成线性关系

0U K U a -⋅=ν

只有当入射光频率ν大于一定的频率ν0时，才会产生光电效应，ν0称为截止频率或红限频率。

Ua

从不同材料的U a -ν曲线可看出：不同材料的图线的斜率相同，但在横轴上的截距不同。说明K 与金属材料种类无关，但U 0与金属材料种类有关。

（4）光电效应瞬时发生的：当入射光无论如何弱，光电子在光照射的瞬间可产生，驰豫时间不超过10-9秒。

二、爱因斯坦的光量子假设

1、经典物理学所遇到的困难

金属表面对电子具有束缚作用，电子脱离金属表面所需要的能量，所需的最少能量称为逸出功，用 A 表示，显然有

A eU A m E a photon +=+=2v 2

1 其中E photon 为吸收的电磁波能量。

按照光的经典电磁理论：光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率！若用极微弱的光照射，阴极电子积累能量达到逸出功A 需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！

2、爱因斯坦光量子假设（1905年）

为了解释光电效应，爱因斯坦假设：

（1）光是由一颗一颗的光子（光量子）组成，每个光子的能量与其频率成正比，即

ν⋅=h E

（2）一个光子只能整个地被电子吸收或放出，光量子具有“整体性”。

（3）根据能量守恒定律，电子在离开金属面时具有的初动能

A eU A m h a +=+=2v 2

1ν 上式即为光电效应方程。

利用爱因斯坦光电方程可以解释光电效应的瞬时性问题和红限频率问题。

3、光电效应的实验验证

Millikan 极力反对爱因斯坦的光子假说，花了十年测量光电效应，得到了遏止电压和光子频率的严格线性关系

()⎩

⎨⎧==⇒-==eK h eU A U K e eU m a m 002v 21ν 由直线斜率K 的测量可以确定（光电效应）普朗克常数。

爱因斯坦年由于他在光电效应方面的工作而获1921年诺贝尔物理学奖；R. A. Millikan （密立根），1923诺贝尔物理学奖得主，研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有

最小单位。

4、光电效应的应用

（1）光电管：光信号→电信号，用于光信号的记录、自动控制等。

（2）光电倍增管：光信号→电信号，用于弱光电信号的放大，可将光电流放大数百万倍。

三、光的波粒二象性

在有些情况下，光突出显示出波动性（干涉、衍射现象）；而在另一些情况下，则突出显示出粒子性（光电效应）——光有二象性，并有如下关系：

1、能量

νε⋅=h 2、质量

22c h c m νε== 3、静质量

00=m 4、动量

λνεh c h p c m c p ==⇒+=420222