大学物理：16-2 光电效应 光的波粒二象性VIP

1、162 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。效应。伏安特性曲线伏安特性曲线一一. 光电效应的实验规律光电效应的实验规律v饱和电流饱和电流 iS v遏止电压遏止电压 Ua iS 光电子数光电子数amUme221vI （I, v)AKUiS3iS1iS2I1I2I3UaUiI1I2I3Ua 0光电子最大初动能和光电子最大初动能和 成线性关系成线性关系v截止频率截止频率 0v即时发射即时发射迟滞时间不超过迟滞时间不超过 10

2、-9 秒秒遏止电压与频率关系曲线遏止电压与频率关系曲线和和v 成成线线性性关关系系i光电效应实验的结果如下：光电效应实验的结果如下： 1阴极阴极(发射光电子的金属材料发射光电子的金属材料)发射的光电子数和照射发射的光电子数和照射的光强度成正比。的光强度成正比。 2光电子逸出物体时的初速度和照射光的频率有关而和光电子逸出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。发光强度无关。 3仅当照射物体的光频率大于某个确定值时，物体才能仅当照射物体的光频率大于某个确定值时，物体才能发出光电子，发出光电子， 4从实验知道，产生光电流的过程非常快从实验知道，产生光电流的过程非常快 光电效应的瞬时性与光的

3、波动性相矛盾，光电效应的瞬时性与光的波动性相矛盾， 按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面量，飞出金属表面 可事实是，只要光的频率高于金属的红限频率，可事实是，只要光的频率高于金属的红限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的， 正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位的能量单位(即光子或光量子即光子或光量子)所组成。所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。这

4、种解释为爱因斯坦所提出。 16.2.2 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程 爱因斯坦首先提出光子的概念，也就是爱因斯坦爱因斯坦首先提出光子的概念，也就是爱因斯坦认为一束光是一束光子流，每个光子的能量认为一束光是一束光子流，每个光子的能量为为 。 h 当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量 ，能量增加，不需要积累能量的过程能量增加，不需要积累能量的过程(光电效应是瞬时的光电效应是瞬时的) h 爱因斯坦方程爱因斯坦方程hh 如果电子吸收的能量如果电子吸收的能量 足够大，能够克服

5、脱足够大，能够克服脱离物体表面时的逸出功离物体表面时的逸出功W，那么电子就可以离开物，那么电子就可以离开物体表面逃逸出来，成为光电子，这就是光电效应。体表面逃逸出来，成为光电子，这就是光电效应。 hWmvh221 是入射光的频率是入射光的频率 ， W是逸出功，是逸出功， 是光电效应是光电效应发生的红限频率发生的红限频率 ，m是被发射电子的静止质量，是被发射电子的静止质量，v是被发射电子的速度，是被发射电子的速度， 是逸出物体的光电子的是逸出物体的光电子的初动能。初动能。 0221mv16.2.3 光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用 1.光控继电器光控继电器 利用光电管制成的光

6、控继电器，可以用于利用光电管制成的光控继电器，可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等等跟踪等等 工作原理工作原理 当光照在光电管上时，光电管电路中产生光当光照在光电管上时，光电管电路中产生光电流，经过放大器放大，使电磁铁电流，经过放大器放大，使电磁铁M磁化，而把衔磁化，而把衔铁铁N吸住，当光电管上没有光照时，光电管电路中吸住，当光电管上没有光照时，光电管电路中没有电流，电磁铁没有电流，电磁铁M就把衔铁放开，将衔铁和控制就把衔铁放开，将衔铁和控制机构相连接，就可进行自动控制。利用光电效应机构相连接，就可进行自动控制。利用光电效应还可测量一些转动物体

7、的转速。还可测量一些转动物体的转速。2.光电倍增管光电倍增管 光电倍增管可以测量非常微弱的光光电倍增管可以测量非常微弱的光 管内除有一个阴极管内除有一个阴极K和一个阳极和一个阳极A外，外，还有若干个倍增电极还有若干个倍增电极 使用时不但要在阴极和阳极之间加使用时不但要在阴极和阳极之间加上电压，各倍增电极也要加上电压，上电压，各倍增电极也要加上电压，使阴极电势最低，各个倍增电极的使阴极电势最低，各个倍增电极的电势依次升高，阳极电势最高电势依次升高，阳极电势最高 54321,KKKKK 当阴极受到光的照射时，就发射光电子，并在加当阴极受到光的照射时，就发射光电子，并在加速电场的作用下，以较大的动能

8、撞击到第一个倍速电场的作用下，以较大的动能撞击到第一个倍增电极上，增电极上， 光电子能从这个倍增电极上激发出较多的电子，光电子能从这个倍增电极上激发出较多的电子，这些电子在电场的作用下，又撞击到第二个倍增这些电子在电场的作用下，又撞击到第二个倍增电极上，电极上， 从而激发出更多的电子，从而激发出更多的电子， 激发出的电子数不断增加，最后阳极收集到的电激发出的电子数不断增加，最后阳极收集到的电子数将比最初从阴极发射的电子数增加了很多倍子数将比最初从阴极发射的电子数增加了很多倍 851010 3.农业病虫害防治农业病虫害防治 农业虫害的治理需要依据有害昆虫的特性提出与农业虫害的治理需要依据有害昆虫

9、的特性提出与环境适宜、生态兼容的技术体系和关键技术。环境适宜、生态兼容的技术体系和关键技术。 有害昆虫表现了对敏感光源具有个体差异性和群有害昆虫表现了对敏感光源具有个体差异性和群体一贯性的趋光性行为特征，并通过视觉神经信体一贯性的趋光性行为特征，并通过视觉神经信号响应和生理光子能量需求的方式呈现出生物光号响应和生理光子能量需求的方式呈现出生物光电效应的作用本质。电效应的作用本质。 利用昆虫的这种趋向行为诱导增益特性利用昆虫的这种趋向行为诱导增益特性 16.2.4 光的波粒二象性光的波粒二象性 光在真空中的传播速度光在真空中的传播速度c为光速，也就是光子的为光速，也就是光子的速度是速度是c，所以

10、需要用相对论来处理光子的质量、，所以需要用相对论来处理光子的质量、能量和动量问题。能量和动量问题。 根据狭义相对论的动量和能量关系式根据狭义相对论的动量和能量关系式20222EcpE光子的静能量光子的静能量 为零，所以动量和能量关系式为为零，所以动量和能量关系式为0EpcE 其动量也可以写成其动量也可以写成 对于频率对于频率 为波长为为波长为 的光子其动量和能量的光子其动量和能量分别为分别为hchcEphE hp 由上两式可以看出，描述光子粒子性的量与描述光由上两式可以看出，描述光子粒子性的量与描述光的波动性的量（和）联系在一起了的波动性的量（和）联系在一起了。 光电效应实验表明，光由粒子组成，体