14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设

2
实验装置 单色光通过石英窗照射金属板，阴极上有光
电子产生。 如将K接正极、A接负极，
则光电子离开K后，将受到电
场的阻碍作用。当K、A之间 的反向电势差等于U0时，从K 逸出的动能最大的电子刚好 不能到达A，电路中没有电流，
G
A
U
K
U0叫遏止电压。
Ek max eU0
2
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
一
1
光电效应实验的规律
基本概念 当光照射到金属表面时，
金属中有电子逸出的现象叫
光电效应，所逸出的电子叫
光电子，由光电子形成的电 流叫光电流，使电子逸出某 种金属表面所需的功称为该 种金属的逸出功。
G
A
U
K
1
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
2 爱因斯坦光电效应方程
1 2 h mv W 2
逸出功与 材料有关
8
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
几种金属逸出功的近似值(eV) 钠 铝 锌 4.31 铜 4.70 银 铂
2.46 4.08 理论解释:
4.73 6.35
光强越大，光子数越多，单位时间内 产生光电子数目越多,光电流越大. ( 0 时）
Im 2
3
1
U0 0 U
6
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
4
经典理论的困难
1）经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动
能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率
有关，光电子初动能也与频率有关。 2）只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率
低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有
光子
E0 0 , E pc
E h h p c c
描述光的 粒子性
E h h p

描述光的 波动性
16
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
17
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
18
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
19
2）光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与入 射光的强度无关。
1 2 mv m e U a 2
即：
U = 0 I≠0，从K逸出的光电子具有初动能; U = -Ua时 I = 0—遏止电压（Cutoff Voltage）
Ua
G
A
U
K
0
U0
4

大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等. 光控继电器示意图 光
放大器
接控制机构
光电倍增管
13
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
光信号→电信号 可制成光电管和固态光电探测器； 光电倍增管，用来探测弱光； 光控继电器，自动控制，自动计数和工业检测等； 光电导摄像管，用在电影、电视等行业； 光敏电阻（Photo Resistance），以来进行测量。 可见光：ZnS（硫化锌），CdS（硫化镉），CdSe（硒化镉） 近红外：Si，Ge，PbS，InPb 光电子谱（Photoelectron Spectrum） 分析光电效应所产生的光电子的能量分布，已成为一种有效的表面分析手 段，例如 XPS ——X射线光电子谱 UPS ——紫外线电子谱
3）存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频 率大于某一频率ν 0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才 有光电流，这个频率ν 0叫做截止频率——红限. 线性性：用不同频率的光照射金属K的表面时，当入射光的 频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。
Ua
Ua=K ν -U0
|US|
复
• 黑体 黑体辐射
习
• 黑体辐射 普朗克能量子假说
• 斯忒藩玻耳兹曼定律 维恩位移定律 • 黑体辐射的瑞利—金斯公式 经典物理的困难 • 普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 • 黑体辐射的应用
• 光电效应 光的波粒二象性
• 光电效应的实验规律 • 光电效应的应用 · 光子 爱因斯坦方程 · 光的波粒二象性
2.0
Na
Ca
0
U0

红限频率
1.0
01 O
6.0 8.0 10.0 104 Hz
5
02
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
4）瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率
大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立 即就有光电流逸出（延迟时间越为10-9s）
I G
A
U
K
3
实验规律
改变电压U，光电流也改变，最后趋于饱和，称为饱
1）饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。 和电流Im；改变入射光强度，饱和电流Im也随之改变，从 实验可知饱和电流Im与入射光强度成正比，或逸出电子数 与强度正比。 I
G
A
U
K
Im
2 1 U0 0
3
U
3
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
11
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
3
普朗克常数的测定
1 2 h mv W 2
遏止电势差和入射 光频率的关系
U0
h eU 0 W
h W U0 e e
U 0 h e
O
0

U 0 h e
12
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
9
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
频率限制: 只有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0 时才会发生
W h 0
Ua
1 2 h mv W 2
0
V A

红限频率
U0
10
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
瞬时性：光子射至金属表面， 一个 光子的能量 h 将一次性被一个电子吸收， 若 0 ，电子立即逸出，无需时间积累. 爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光 电效应现象.
无光电效应不应与频率有关。 3）瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要 时间，即需能量的积累过程。
7
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
二
光子 爱因斯坦方程
1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论， 认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子
1 光量子假设
流叫做光量子，简称光子。在真空中，光子以光速c运 动。一个频率为ν的光子具有能量ε=hν。
14
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
四 光的波粒二象性 （1）波动性：光的干涉和衍射 （2）粒子性： E h （光电效应等） 相对论能量和动量关系 E p c E
2 2 2 2 0
光子
E0 0 , E pc
15
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设