光电效应ppt
光电效应光电效应ppt光电效应课件

光电效应光电效应ppt光电效应课件光电效应知识背景:1887年,赫兹在证明麦克斯韦波动理论的实验中,首次发现了光电效应。
当时,赫兹注意到,用光特别是紫外光照射处在火花间隙下的电极,会使火花容易从电极间通过。
勒纳于1900年对这个效应也进行了研究,并指出光电效应应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。
上图即为实验装置图,入射光通过石英窗照射到金属表面(阴极)时,就有电子发射出来,当有电子到达阳极时,外电路就有电流。
若光电效应应仅此而已,则并没有什么惊奇之处。
事实上,从光电效应的实验中得到的部分结果,用经典的电磁理论却无法解释。
光电效应课件的一些重要的演示结果如下:(1)当发生光电效应时,光照强度不变时,随着电压的增大,电路内的电流也在增大,但是不会无限增大,有一个最大值,这个最大值就是饱和电流。
当光照强度再增大时,饱和电流的值也会相应的增大。
(2)当外加正向电压V足够大时,从阴极发射的电子将全部到达阳极,光电流i达到饱和。
课件演示发现,在入射光频率v一定时,饱和电流i与光强I成正比。
(3)通常即使加上反向电压,回路中还是有电流,但当反向电压大于一临界值时,电流为零,此临界值称为截止电压-V。
课件演示发现:当入射光频率v一定时,同种金属阴极材料的截止电压-V相同,与光强无关。
(4)尽管对特定的金属阴极材料,截止电压-V与光强度I无关,但它与入射频率v成正比。
从课件演示可以看到每一种阴极材料,都分别有确定的截止频率v0,称为观点效应的红线。
入射光频率v必须大于此值,才能产生光电流,否则,不论光强多大,都无光电流。
v0随着阴极材料的不同而改变。
(4)解释上述问题理论基础:1905年,爱因斯坦提出了光子假设。
这个假设认为,当光照到阴极表面时,所发射的一个电子是从一个单一能量量子获得能量。
这种能量量子被称为光子,它的能量与电磁波的频率v有关,大小为ε=hv,h为普朗克常量。
按照爱因斯坦的观点,当光入射到阴极表面时,光子被电子吸收,电子获得了hv的能量。
光电效应-ppt课件

克
份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功
地解决了热辐射中的难题,而且开创物理学研究
新局面,标志着人类对自然规律的认识已经从宏
观领域进入到微观领域,为量子力学的诞生奠定
了基础,牛顿之后物理学最伟大的发现之一。
1918年他荣获诺贝尔物理学奖。
死后他的墓碑上只刻着
他的姓名和 h = 6.62610 ─34 J·s
第4章 第一部分 光电效应
共一课时
一、普朗克黑体辐射理论
一、普朗克黑体辐射理论
1.背景
(1)一切物体都在辐射电磁波,这种辐射跟温度有关叫热辐射。
辐射强度及波长成分的分布随温度变化
(2)黑体:完全吸收入射的各种波长的电磁波,而不发生反射。
黑体向外辐射电磁波,这样的辐射叫作黑体辐射。
(3)黑体辐射规律
取决于光强
运用光子说
取决与频率
f大,Ek大,Uc大
存在截止频率
hν > W 0
具有瞬时性
电子一次吸收一个光子,无需积累
四、爱因斯坦的光电效应理论
3.理论解释
(1)光强决定光子个数→电子个数→电流大小
(2)光的频率决定能否发生光电效应,最大初动能,遏制电压
4.验证:密立根
一、普朗克黑体辐射理论
2.理论解释:普朗克能量子
(1)能量是不连续的(量子化)
能量
(2)能量是最小能量的整数倍
(3)能量子
ε = hν
红→紫,频率增大,能量增大
经典
量子
一、普朗克黑体辐射理论
Planck 抛弃了经典物理中的能量可连续变化、 普
朗
物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点,
提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一
光电效应及其解释ppt课件

以上三个结论都与实验结果相矛盾的,所以无法用经典 的波动理论来解释光电效应。
二.爱因斯坦的光电效应理论 以普朗克量子假说为基础
4.实验规律: (3)存在截止电压 Uc(遏止电压)
反向电压为Uc时,恰好减速阻止 所有光电子到达A板。 设光电子逸出最大初速度为
由图可知 和 UC 与光的频率有 关,与光强无关! (4)光电效应具有瞬时性
光电效应的解释中的疑难
按照光的电磁理论,应得出以下结论:
①不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足 够能量从而逸出表面,不应存在截止频率 ;
5.1光电效应及其解释
普朗克的能量子说:
带电微粒辐射或吸收能量时,是一份一份地辐射或吸收的, 每一份叫做一个能量子,每一个能量子的能量
ε=hν
h为普朗克常量:h=6.626×10-34J·s
光的本质是什么?
光是电磁波,它能很好地解释光的干涉、 衍射等现象,但是,光的波动说并不能成功地 说明光的所有现象。早在1887年赫兹在做电磁 的实验时,就偶然发现了一个后来被称作光电 效应的现象,这个现象使光的波动说遇到了无 法克服的困难.
康普顿提效应进一步说明光具有粒子性
四.光的波粒二象性 1.光的波动性: 干涉,衍射,偏振
2.光的粒子性:
黑体辐射,光电效 应,康普顿效应
3.光具有波粒二象性 概率波
(1)大量光子体现波动性,少量光子体现粒子性
(2)波长越长,波动性越强,波长越短,粒子性 越强
2.光电效应方程
光电效应-PPT

放出来,使产生的新核处于高能级,这时它要向低能级跃迁,能量以γ光子的
形式辐射出来,因此,γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。设t时间后放
射性元素的质量均为m,由衰变规律知:
。
m
m
A
(
1 2
)
t T1
mB(
1
t
)T2
,
mA
2 mB
2T2 T1
12
热点五 核反应方程
【例5】[2009年高考天津理综卷]下列说法正确的是( B D )
10
热点三 氢原子光谱
【例3】在氢原子光谱中,电子从较高能级跃迁到n=2能级发 出的谱线属于巴耳末线系。若一群氢原子自发跃迁时发 出的谱线中只有2条属于巴耳末线系,则这群氢原子自发
跃迁时最多可发出_6__条不同频率的谱线。
【解析】由于这群氢原子自发跃迁 发出的谱线中只有2条属于巴耳末线系, 故可判断这群氢原子的最高能级为n=4, 画出氢原子谱线示意图(如图3.5-3-2所示 )可知,这群氢原子自发跃迁时最多可 发出6条不同频率的谱线。
0 1
e
)和2个中微
(2)研究表明,银河系的年龄约为t=3.8×1017 s,每秒钟银河系产生的能量约为1×1037 J(即P=
1×1037 J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应,试估算银河系中氦的含量(最后结果
保留一位有效数字);
(3)根据你的估算结果,对银河系中氦的主要生成途径作出判断。(可能用到的数据:银河系质量约为
N
N
0
(
1 2
t
)
,m
m0
(
1 2
t
)
6
要点六 核能的产生和计算
1.核能的计算方法
第4节光电效应光电探测器的噪声和特性ppt课件

• 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测 系统的噪声所限制。
• 所以在精密测量、通信、自动控制等领域,减
小和消除噪声是十分重要的问题。
第一章
(2)光电探测器常见的噪声
• 热噪声 • 散粒噪声 • 产生-复合噪声 • 1/f噪声
光电检测应用基础
第一章
(1)热噪声
光电检测应用基础
• 光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成 电信号的器件.
• 光电检测器件分为两大类: –光子(光电子)检测器件 –热电检测器件
第一章
光电检测器件
光电检测应用基础
光子器件
热电器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件
光电检测应用基础
3. 界面p区侧留下固定离化受主负 电荷, n区侧留下固定的离化施 主正电荷;该正负电荷称为空间电荷,存在正负 空间电荷的区域称 为空间电荷区。
4.正--负电荷间产生电场,该电场称为空间电荷区自建电场;
5.自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相
反的漂移运动;
6. 随扩散运动的进行,空间电荷区正、负电荷量逐渐增加,空间 电荷区逐渐变宽,自建电场也随之逐渐增强,同时电子和空穴的 漂移运动也不断加强;
光电检测应用基础
(7)线性
·线性度:它是描述光电探测器输出信号与输入信 号保持线性关系的程度.
·在某一范围内探测器的响应度若为常数,称这个 范围为线性区
非线性误差:
δ = Δmax / ( I2 – I1) Δmax:实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏; I2 和 I1:分别为线性区中最小和最大响应值。
高考物理光电效应 PPT课件 图文

应缺少电子而带正电,故验电器指针的负电荷与锌 板正电荷中和一部分电荷后偏角变小,用红外线照 射验电器指针偏角不变,说明锌板未发生光电效应, 说明锌板的极限频率大于红外线的频率。
056.08年苏北四市第三次调研试题12-2.(1) 12-2.(1)(选修3-5 )有关热辐射和光的本性, 请完成下列填空题
黑体辐射的规律不能用经典电磁学理论来解释, 1900年德国物理学家普朗克认为能量是由一份一份 不可分割最小能量值组成,每一份称为_能__量__子___. 1905年爱因斯坦从此得到启发,提出了光子的观点, 认为光子是组成光的最小能量单位,光子的能量表
达式为_______h, 并成功解释了______光__电__效__应__现象
B.a光在真空中的波长大于b光在真空中的波长
C.a光在介质中的传播速度大于b光在介质中的传
播速度 D.如果a光能使某种金属
a
真空
b
发生光电效应,b光也一定能 使该金属发生光电效应
介质
065.08年南京一中第三次模拟13(2)
13.(2) (3-5模块)(3分)如图所示是使用光电管的
原理图。当频率为 的可见光照射到阴极K上时,电
C为粒子散射,不是光子,揭示了原子的核式
结构模型。
D为光的折射,揭示了氢原子能级的不连续;
不论在生活中还是网络里,人人都会有朋友。如果没有朋友情,生活就不会有悦耳的和音,就如死水一滩;友情无处不在,它伴随你左右,萦绕在你身边,和你共渡一生。 友情,是雨季中的一把小伞,它撑起了一个晴朗的天空;友情,是风雪之夜的一杯淡茶,它能将寒意驱走,带来温暖;友情,是迷途中的一盏灯,它在你迷失时给你方向……人生漫漫,若能拥有一段地久天长的相知相伴的友情,生命亦无憾。 大千世界,红尘滚滚,一年又一年的风风雨雨,几许微笑,几丝忧伤,随着时间小河的流淌,许多人和事都付之东流去。但有一种人却随着时间的推移,你与ta的交往,如陈年酒香,沁人心肺。你与ta的友情是世上最珍贵的情感。这种友情是一种最纯洁、最高尚、最朴素、最平凡的感情。也是最浪漫、最动人、最坚实、最永恒的情感。 小时候,友情是简单的一个玩伴,是一份哭哭笑笑的天真无邪。儿时的友情是真切的我和你,可以肆无忌惮的吵架,互相赌气撅起的嘴,片刻之后又携手言欢。那时的友情是那一块小小的糖,甜甜的味道,永远留在了儿时的记忆里,无论何时回味起,都是美滋滋的。 长大后,友情是一樽透明的酒杯,举杯邀明月时,对影成三人。失败或落寞时的酒话连篇,ta不会觉得你烦。友情,是伤心不必躲在一个角落悄悄地哭泣,ta默默地陪你,告诉你在哪里跌倒的就在哪里爬起来。于是,成长里有我们友情地久天长的足迹。
光电效应-课件ppt课件

逸出功
光子能量
h W 1 mv2
2 最大初动能
爱因斯坦光电效应方程
.
三、光电效应的理论解释
2.爱因斯坦的解释 h W 1 mv2
2
条件
= W 为 截 止 频 率 , 小 于 截 止 频 率 则 不 能 发 生 光 电 效 应 。 h
.
三、光电效应的理论解释
3.爱因斯坦解释的验证
密里根通过测量光电效应的几个物理量, 由此计算普朗克常量h,并与黑体辐射 得到的h相比较,来验证爱因斯坦方程 的正确性。 爱因斯坦因为光电效应的工作获1921年 诺贝尔物理学奖。
思考10:如果你是密里根,你将 如何通过实验得到普朗克常量?
(课后思考)
.
能越大。
与强度无关。
同等频率下,光强越 大,单位时间逸出越 多。
同等频率下,光强越大,单 位时间逸出越多。
不矛盾
矛盾 可以通过长时间累积 光电效应具有瞬时性,几乎
能量使电子逸出。 不需要时间。
.
三、光电效应的理论解释 思考9:如何提出新的理论来解释光电效应? 关键:给电子足够的能量逸出。
.
三、光电效应的理论解释
.
二、光电效应的实验规律 思考5:光电流的大小能够准确表示单位时间内逸 出的电子数吗?
A
.
二、光电效应的实验规律
思考5:光电流的大小能够准确表示单位时间内逸 出的电子数吗?
-
+
A
E
S
.
二、光电效应的实验规律
K
A
A V
R
E
S
.
二、光电效应的实验规律
光电效应ppt课件

入射光照到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时 的,一般不超过10-9s.
三.光电效应解释中的疑难
温度不很高且没有光照时,电子能否大量逸出 金属表面?
不能。由于受到金属表面层内的一种引力作用, 电子要从金属中挣脱出来,必须克服这个阻力做功。
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.
光电效应显示了光的粒子性。光子不但具有能量, 也具有动量。
爱因斯坦由于对光电效
应的解释和对理论物理
学的贡献获得1921年诺
贝尔物理学奖
。
密立根由于研究基本电荷和 光电效应,特别是通过著名 的油滴实验,证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝 尔物理学奖
练习 课本例题P34
分析 由上面讨论结果 h W0 eUc
3.光子说对光电效应的解释
①爱因斯坦方程表明,光电子的初动能Ek与
入射光的频率成线性关系,与光强无关。
只有当hν>W0时,才有光电子逸出, 是光电效应的截止频率。
c
W就0
h
②电子1次只能吸收1个光子的全部能量,不能 积累能量,光电流几乎是瞬时发生的。
③光强较大时,包含的光子数较多,照射金 属时产生的光电子多,因而饱和电流大。
这些能量子后来被称为光子。
爱因斯坦的光子说
E h
四.爱因斯坦的光量子假说
1.光子:
2.爱因斯坦的光电效应方程
一个电子吸收一个光子的能量hν后,一部分能
量用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸 出后电子的最大初动能Ek,即:
h Ek W0
或 Ek h W0
Ek
1 2
me
vc2
——光电子最大初动能
《光电效应》课件

实验结果表明,当光的波长增 加时,光子的能量降低,电子 的动能减小,无光电子发射。
实验结果证明了爱因斯坦的光 电效应公式和光的粒子性理论 的正确性。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
03
光电效应的应用
太阳能电池
太阳能电池是利用光电效应将太 阳光转换为电能的装置。
太阳能电池的原理是当太阳光照 射在半导体材料上时,光子能量 激发电子从束缚状态进入自由状
光电材料的应用
新型光电材料在太阳能电池、光电传感器、光电器件等领域 具有广泛的应用前景。
光电转换效率的提高
光电转换技术
目前,光电转换技术正朝着高效、低 成本、环保的方向发展,以提高光电 转换效率。
光电转换效率的瓶颈
虽然光电转换效率已经取得了一定的 提高,但仍存在一些瓶颈,如光吸收 、载流子输运等问题需要解决。
光电效应的实验研究
实验目的和实验原理
实验目的
通过实验研究光电效应现象,深入理 解光子与物质相互作用的过程,探究 光电效应的规律。
实验原理
光电效应是指光子照射在物质表面时 ,光子能量被吸收后,物质内部的电 子吸收能量并从束缚状态跃迁至自由 状态,形成光电流的现象。
实验设备和实验步骤
实验设备:光电效应实验装置、光源、电流表 、电压表等。
当光子撞击物质表面时,能量被吸收并传递给电子,使电子获得足够的能量逃离物 质表面。
电子的发射机制包括逸出功和光子能量两个关键因素,逸出功是指电子从物质表面 逸出所需的最低能量,光子能量是指光子的能量值。
随着光子能量的增加,光电效应的发生概率增加,电子的动能也相应增加。
光电效应的实验验证
光电效应ppt课件

教材分析
核心素养目标
物理学史
学情分析
教学重难点
介绍科学家的工作
爱因斯坦质能方程:
E mc 2
光子能量:
E ( ) h
教法、学法
教学过程
板书设计
引出康普顿效应级波粒二象性
h
m 2
c
h
h h
p mc 2 c
c
c
通过以上推导制造认知冲突,为光的波粒二象性导出做准备
道其对近代物理学发展的意义。
教材中的地位:该内容选自人教版
(2019)第四章第二节。光电效应是
近代物理的重要内容,它挑战了经典
物理学的观念,促使人们对光的本质
有了全新认识,为量子力学的发展奠
定了基础。它是连接经典物理与现代
物理的桥梁,对于学生构建完整的物
理知识体系至关重要。
同时,该内容也培养了学生的科学思
2
eUc=hv-W0
3.存在遏止电压
1
=
4.光电效应瞬时性 2
形成知识体系,形成理性认识,定性分析,为图像分析做准备
教材分析
物理学史
核心素养目标
学情分析
教学重难点
引出光电效应方程
教法、学法
教学过程
板书设计
通过图像强化图像运用能力
形成知识体系,强化赌徒看图的科学探究素养,并利用图像解释相关现象
1
= 2
2
1
=
2
eUc=hv-W0
通过归纳总结再次强化知识体系,并根据归纳总结以及
课堂检测情况布置课后作业,强化训练。
教材分析
核心素养目标
学情分析
教学重难点
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
光电效应ppt篇一:光电效应光电效应? 关于电磁波入射到物体表面导致其电导率变化的现象,或电磁波辐射入射到物体表面导致其内部产生电动势的现象,详见“内光电效应”。
光电效应示意图:来自左上方的光子冲击到金属板,将电子逐出金属板,并且向右上方移去。
光电效应(Photoelectric Effect)是指光束照射在金属表面会使其发射出电子的物理效应。
发射出来的电子称为“光电子”。
要发生光电效应,光的频率必须超过金属的特征频率。
1887年,物理学者发现,照射到金属上,可以帮助产生。
1905年,特·爱因斯坦发表论文《关于光产生和转换的一个启发性观点》,给出了光电效应实验数据的理论解释。
爱因斯坦主张,光的能量并非均匀分布,而是负载于离散的光量子(光子),而这光子的能量和其所组成的光的频率有关。
这个突破性的理论不但能够解释光电效应,也推动了量子力学的诞生。
由于“他对理论物理学的成就,特别是光电效应定律的发现”,爱因斯坦获颁1921年诺贝尔物理学奖。
在研究光电效应的过程中,物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解,这对波粒二象性概念的提出有重大影响。
除了光电效应以外,在其它现象里,光子束也会影响电子的运动,包括光电导效应、光伏效应、光电化学效应(photoelectrochemical effect)。
理论概述光束里的光子所拥有的能量与光的频率成正比。
假若金属里的自由电子吸收了一个光子的能量,而这能量大于或等于某个与金属相关的能量阀值(称为这种金属的逸出功),则此电子因为拥有了足够的能量,会从金属中逃逸出来,注成为光电子;[ 1]若能量不足,则电子会释出能量,能量重新成为光子离开,电子能量恢复到吸收之前,无法逃逸离开金属。
增加光束的辐照度(光束的强度)会增加光束里光子的密度,在同一段时间内激发更多的电子,但不会使得每一个受激发的电子因吸收更多的光子而获得更多的能量。
换言之,光电子的能量与辐照度无关,只与光子的能量、频率有关。
被光束照射到的电子会吸收光子的能量,但是其中机制遵照的是一种非全有即全无的判据,光子所有能量都必须被吸收,用来克服逸出功,否则这能量会被释出。
假若电子所吸收的能量能够克服逸出功,并且还有剩余能量,则这剩余能量会成为电子在被发射后的动能。
逸出功是从金属表面发射出一个光电子所需要的最小能量。
如果转换到频率的角度来看,光子的频率必须大于金属特征的极限频率,才能给予电子足够的能量克服逸出功。
逸出功与极限频率之间的关系为;其中,是普朗克常数,是光频率为的光子的能量。
克服逸出功之后,光电子的最大动能为;其中,是光频率为的光子所带有并且被电子吸收的能量。
实际物理要求动能必须是正值,因此,光频率必须大于或等于极限频率,光电效应才能发生。
历史光电效应首先由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年发现,对发展量子理论及提出波粒二象性的设想起到了根本性的作用。
菲利普·莱纳德用实验发现了光电效应的重要规律。
阿尔伯特·爱因斯坦则提出了正确的理论机制。
十九世纪1839年,年仅十九岁的(Alexandre Becquerel),在协助父亲研究将光波照射到(electrolytic cell)所产生的效应时,发现了光生伏打效应。
[7]虽然这不是光学效应,但对于揭示物质的电性质与光波之间的密切关系有很大的作用。
威勒毕·史密斯(Willoughby Smith)于1873年在进行与水下电缆相关的一项任务,测试硒圆柱高电阻性质时,发现其具有光电导性,即照射光束于硒圆柱会促使其电导增加。
海因里希·赫兹1887年,德国物理学者做实验观察到光电效应、电磁波的发射与接收。
在赫兹的发射器里有一个火花间隙(spark gap),可以借着制造火花来生成与发射电磁波。
在接收器里有一个线圈与一个火花间隙,每当线圈侦测到电磁波,火花间隙就会出现火花。
由于火花不很明亮,为了更容易观察到火花,他将整个接收器置入一个不透明的盒子内。
他注意到最大火花长度因此减小。
为了厘清原因,他将盒子一部分一部分拆掉,发现位于接收器火花与发射器火花之间的不透明板造成了这屏蔽现象。
假若改用玻璃来分隔,也会造成这屏蔽现象,而石英则不会。
经过用石英棱镜按照波长将光波分解,仔细分析每个波长的光波所表现出的屏蔽行为,他发现是紫外线造成了光电效应。
赫兹将这些实验结果发表于《物理年鉴》,他没有对该效应做进一步的研究。
紫外线入射于火花间隙会帮助产生火花,这个发现立刻引起了物理学者们的好奇心,其中包括威廉·霍尔伐克士(Wilhelm Hallwachs)、奥古斯图·里吉(Augusto Righi)、亚历山大·史托勒托夫(Aleksandr Stoletov)等等。
他们进行了一系列关于光波对于带电物体所产生效应的研究调查,特别是紫外线。
这些研究调查证实,刚刚清洁干净的锌金属表面,假若带有负电荷,不论数量有多少,当被紫外线照射时,会快速地失去这负电荷;假若电中性的锌金属被紫外线照射,则会很快地变为带有正电荷,而电子会逃逸到金属周围的气体中,假若吹拂强风于金属,则可以大幅度增加带有的正电荷数量。
约翰·艾斯特(Johann elster)和汉斯·盖特尔(Hans Geitel),首先发展出第一个实用的光电真空管,能够用来量度辐照度。
艾斯特和盖特尔将其用于研究光波照射到带电物体产生的效应,获得了巨大成果。
他们将各种金属依光电效应放电能力从大到小顺序排列:铷、钾、钠钾合金、钠、锂、镁、铊、锌。
对于铜、铂、铅、铁、镉、碳、汞,普通光波造成的光电效应很小,无法测量到任何效应。
上述金属排列顺序与亚历山德罗·伏打的电化学排列相同,越具正电性的金属给出的光电效应越大。
汤姆孙量度粒子荷质比的光电效应实验装置。
[注 2] 当时研究“赫兹效应”的各种实验还伴随着“光电疲劳”的现象,让研究变得更加复杂。
光电疲劳指的是从干净金属表面观察到的光电效应逐渐衰微的现象。
根据霍尔伐克士的研究结果,在这现象里,臭氧扮演了很重要的角色。
可是,其它因素,例如氧化、湿度、抛光模式等等,都必须纳入考量。
1888至1891年间,史托勒托夫完成了很多关于光电效应的实验与分析。
他设计出一套实验装置,特别适合于定量分析光电效应。
借助此实验装置,他发现了辐照度与感应光电流的直接比例。
另外,史托勒托夫和里吉还共同研究了光电流与气压之间的关系,他们发现气压越低,光电流变越大,直到最优气压为止;低于这最优气压,则气压越低,光电流变越小。
约瑟夫·汤姆孙于1897年4月30日在大不列颠皇家研究院(Royal Institution of Great Britain)的演讲中表示,通过观察在克鲁克斯管里的阴极射线所造成的萤光辐照度,他发现阴极射线在空气中透射的能力远超一般原子尺寸注的粒子。
[ 3],因此,他主张阴极射线是由带负电荷的粒子组成,后来称为电子。
此后不久,通过观察阴极射线因电场与磁场作用而产生的偏转,他测得了阴极射线粒子的荷质比。
1899年,他用紫外线照射锌金属,又测得发射粒子的荷质比为7.3×106emu/g,与先前实验中测得的阴极射线粒子的数值7.8×106emu/g大致符合。
他因此正确推断这两种粒子是同一种粒子,即电子。
他还测出这粒子所载有的负电荷。
从这两个数据,他成功计算出了电子的质量:大约是氢离子质量的千分之一。
电子是当时所知质量最小的粒子。
二十世纪匈牙利物理学家菲利普·莱纳德菲利普·莱纳德于1900年发现紫外线会促使气体发生电离作用。
由于这效应广泛发生于好几厘米宽区域的空气,并且制造出很多大颗的正离子与小颗的负离子,这现象很自然地被诠释为光电效应发生于在气体中的固体粒子或液体粒子,汤姆孙就是如此诠释这现象。
1902年,莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果。
第一,借着变化紫外光源与阴极之间的距离,他发现,从阴极发射的光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比。
第二,使用不同的物质为阴极材料,可以显示出,每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大动能(最大速度),换句注话说,光电子的最大动能与光波的光谱组成有关。
第三,借着调整阴极与阳极之间的电压差,他观察到,光电子的最大动能与截止电压成正比,与辐照度无关。
由于光电子的最大速度与辐照度无关,莱纳德认为,光波并没有给予这些电子任何能量,这些电子本来就已拥有这能量,光波扮演的角色好似触发器,一触即发地选择与释出束缚于原子里的电子,这就是莱纳德著名的“触发假说”(triggering hypothesis)。
在那时期,学术界广泛接受触发假说为光电效应的机制。
可是,这假说遭遇到一些严峻问题,例如,假若电子本来在原子里就已拥有了逃逸束缚与发射之后的动能,那么,将阴极加热应该会给予更大的动能,但是物理学者做实验并没有测量到任何不同结果。
英姿焕发的爱因斯坦在1905年(爱因斯坦奇迹年)发表了六篇划时代的论文。
1905年,爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,对于光电效应给出另外一种解释。
他将光束描述为一群离散的量子,现称为光子,而不是连续性波动。
对于马克斯·普朗克先前在研究黑体辐射中所发现注的普朗克关系式,爱因斯坦给出另一种诠释:频率为的光子拥有的能量为;其中,因子是普朗克常数。
[5]爱因斯坦认为,组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。
假若光子的频率大于某极限频率,则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸,造成光电效应。
爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关,而与辐照度无关。
虽然光束的辐照度很微弱,只要频率足够高,必会产生一些高能量光子来促使束缚电子逃逸。
尽管光束的辐照度很强劲,假若频率低于极限频率,则仍旧无法给出任何高能量光子来促使束缚电子逃逸。
爱因斯坦的论述极具想像力与说服力,但却遭遇到学术界强烈的抗拒,这是因为它与詹姆斯·麦克斯韦所表述,而且经过严格理论检验、通过精密实验证明的光的波动理论相互矛盾,它无法解释光波的折射性与相干性,更一般而言,它与物理系统的能量“无穷可分性假说”相互矛盾。
甚至在实验证实爱因斯坦的光电效应方程正确无误之后,强烈抗拒仍旧延续多年。
爱因斯坦的发现开启了的量子物理的大门,爱因斯坦因为“对理论物理学的成就,特别是光电效应定律的发现”荣获1921年诺贝尔物理学奖。
图为密立根做光电效应实验得到的最大能量与频率关系线。
竖轴是能够阻止最大能量光电子抵达阳极的截止电压,P是逸出功,PD是电势差。
爱因斯坦的论文很快地引起美国物理学者罗伯特·密立根的注意,但他也不赞同爱因斯坦的理论。