物理近代-1光电效应

1、12-2光电效应与的光量子理论一、光电效应的实验规律勒纳德证明确实是电子!1887年发现紫外光逸出带电粒子光电效应：当光（包括可见光在内的电磁辐射）照到金属表面时，电子从金属表面逸出的现象。金属光电效应中产生的电子称为“光电子”。1一、 光电效应的实验规律逸出的光电子具有一定初动能AK加正向电压时，具有一定初速度的光电子 在电场加速下向阳极A运动，就形成光电流。AK加反向电压，AKiG下向阳极A运动光电子在电场V如果反向电压小，光电子仍能到达阳极，形成光电流；当反向电压达到某值时，具有最大初动能的光电子也不能到达阳极A，就不能形成光电流。注意：不能以光电流的有无来判断光电效应是否发生，而应以是

2、否有光电子逸出为判断光电效应是否发生的标准。21.红限频率的存在AiKGV3实验还表明，不同金属的红限频率不同。实验表明，只有当入射光的频率大于某一值 0时，才能从金属表面电子。当入射光的频率 0时，无论光强多强、照射时间多长、加的正向电压多大，都不会有光电生，即不能发生光电效应。而 0的光都能产生光电效应。这一频率 0称为红限频率，相应的光波长 0称为红限波长。2.光电流与正向电压的关系iIAKiM 2饱和2i照射光强G光电流 V0U0当用大于红限频率的某固定频率的光照射某金属时，光强一定时，光电流随加速电压的增加而增加；当加速电压增加到一定值时，光电流不再增加，im而是达到一饱和值。4饱和

3、现象说明，此时，时间内从阴极K逸出的光电子已经全部被阳极A接收。3. 饱和电流与入射光强的关系当用大于红限频率的某固定频率的光照射某金属时，实验表明，饱和电流 im 与光强I成正比。iAi饱和光电流KI2iM 2iM1I1GVI2I1照射光强U0 054 .截止电压iAK饱和光电流I2iM 2iI1iM1GV I2I1照射光强UUc0 0当反向（电压）增加时，电流并不为零。仅当反向电压等于某值 Uc时，电流为零；再增加反向电压，电流一直为零。这一电压值 Uc称为截止电压。6截止电压的存在说明，此时，从阴极K逸出的具有最大初动能的光电子，由于受到外加电场的阻碍，也不能到达阳极A了。根据能量分析，

4、得到光电子从阴极K逸出时的最大初动能与截止电压的关系7mV 2 eUmc5.截止电压与入射光频率的关系UcAKNaCai5. 5GV7.5(1014Hz)Uo8Uc k U 0k 是普适常数与材料无关不同材料U0 值不同截止电压与入射光频率成线性关系。而且，对于不同的金属材料，其直线平行。UcNaCa5. 57.5(10Hz)14Uo可见，入射光的频率必须大于某一值，才能使 1 mV2 0，m2电子才能逸出金属表面成为光电子，发生光电效应。这一极限值就是红限频率9 U 00k1 mV 2 ek eU2m0Uc k U 0mV 2 eUmc6.光电效应与光照时间的关系光电子的逸出，几乎是在光照射

5、到金属表面的那一刻发生的，109 s其延时在以下。即使用极弱的光，只要光频率大于红限频率，光电效应的发生几乎与光照时间无关。10二、光电效应经典理论解释的的光子理论产生11光的波动理论在光电效应的实验结果上遇到了“”。经典理论无法对光电效应的本质问题给出解释经典理论无法解释：1光电子能否逸出，即无法解释“红限”问题。2光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。3光电子的逸出几乎与光照时间无关经典理论认为：光是一种电磁波。三、此时而的光子理论还在寻找他的能量子的经典理论根源，却大大发展了他的能量子的概念。光量子假设（1905）：1电磁辐射是由以光速c 运动的局限于空间某一小范围的

6、光的能量子单元 光子所组成， h光子能量2光量子具有 “整体性”光的发射、吸收都是量子化的。3 一束光就是以速率 c 运动的一束光子流。h NN：光子数通量光强I12四、光子理论对光电效应的解释一个光子将全部能量交给一个电子，电子克服金属对它的从金属中逸出。，由能量守恒一个电子逸出金属表面后的最大初动能应为A A：逸出功1312mvmh2Ah A 时，电子一次从光子处获得能量，克服金属的逸出功，从金属表面逸出，能产生光电效应；当 A/h时，电子一次从光子处获得能量不足以克服金属的逸出功，电子通过热运动很快吸收的能量，不能从金属表面逸出，不发生光电效应。所以存在：红限频率14 A0h12mvmh

7、2I如果光强一定，时间内到达阴极K的光子数一定，时间内从阴极K上打落的光电子数一定。当加速电压较小时，由于其他的阻碍作用，从阴极K上打落的光电子并没有全部到达阳极A，因此，光电流较弱。当加速电压逐渐增加时，能够到达阳极A的光电子数随之增加，因此，光电流随加速电压的增加而增加。当时间内从阴极K上打落的光电子全部被加速电压运送到阳极A时，再增大加速电压，能够到达阳极A的光电子数不会增加了，im因此，存在饱和电流。15N NhI如果入射光强增大，时间内到达阴极K的光子数随之成正比增加，时间内从阴极K上打落的光电子数随之成正比增加。因此，饱和电流im 与光强 I成正比。16N NhA用大于红限频率的某

8、固定频率的光照射某金属时，从阴极K上打落的光电子还具有一定的初动能。尽管光电子的运动方向各异，但总还是有一部分光电子在没有加速电压的作用下，也会到达阳极A，从而形成光电流。如果加一个反向电压，光电子向阳极A运动，则光电流就会减小。电压达到某一数值Uc 时，当反向连具有最大初动能（沿电场方向的最大初动量）的光电子都不能到达阳极A时，光电流才为零。1712mVmceU212mVm h2由于e 和 h都是与金属材料无关的常数，A是与金属材料有关的常数，因此，截止电压与入射光频率成线性关系。而且，直线的斜率 k h e 与金属材料无关，对于所有金属材料，直线是平行的；但由于金属的逸出功 A 与金属材料

9、有关，对于不同的金属材料，直线的截距不同。18U h AceemV 2 h AmmV 2 eUmc一个电子一次吸收一个具有足够能量的光子而逸出金属表面是不需要多长时间的，因此，光电效应的延迟时间极短。19的“光子”假说，完全解释了光电效应。光子概念被证明是正确的。一束光波就是一束光子流，光子能量 h光波在辐射、吸收过程中都是量子化的201916年密立根（R.A.Milikan）做了精确的光电效应实验，利用Uc 的直线斜率K，定出h = 6.5610-34J.s。1v m h2mA2 eK eUeUc0heK这和当时用其他方法定出的h符合得很好。从而进一步证实了的光子理论。 尽管如此，密立根还是

10、认为光子理论是完全站不住脚的。可见，一个新要们接受是相当的。211868 1953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1879 1955由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献， 获得，获得1923荷有最小1921年物理学奖年物理学奖五光的波粒二象性在19世纪，通过光的、衍射等实验，人们已认识到光是一种波动电磁波，并建立了光的电磁理论理论。进入20世纪，从起，人们又认识到光是粒子流光子流。23关于光的本性的全面认识就是： 光既具有波动性，又具有粒子性在有些情况下，光突出地显示出其波动性，而在另一些情况下，则突出地显示出其粒子性。光的这种本性被称为波粒二象性。光

11、既不是经典意义上的“单纯的”波，也不是经典意义上的“单纯的”粒子。24光的波动性用光波的波长和频率描述，光的粒子性用光子的质量 m 、能量和动量 p 描述。光子的相对论质量c，而 m 是有限的，对于光子，V 0所以只能是 m0，即光子是质量为零的一种粒子。由于光速不变，光子对于任何参考系都不会，所以在任何参考系中光子的质量实际上都不会是零。E光子mhh质量c 2c25 hm2cm m01 V 2c2光子的动量26光子p h h动量ccE 2 P 2c 2 m 2c 4m 0 h00p mc h光的波粒二象性粒子性波动性Eh、mm h波动性特征：粒子性特征：E 、c2h cp、hp波长大或波长小

12、或物小波动性突出物大粒子性突出光作为电磁波是弥散在空间而连续的光作为粒子在空间中是集中而分立的于“概率波”27光电效应的应用由于光电效应中的光电流与入射光强成正比，可用来实现光信号与电信号之间的相互转换，应用于、电视及其它现代通信技术。光电效应的瞬时性，在自动控制和自动计数等方面也有极为广泛的用途。(1)光电管和固态光电探测器 (2)光电倍增管光电成象器件光敏电阻28(1)光电管和固态光电探测器在密封的玻璃壳内，中心的小球或环形物阳极A，涂在玻璃壳内表面的银、钾或锌等光电材料阴极K。在两极之间接一电池组，当光照射到阴极K上时，电路中就有光电流通过，饱和电流与照射光的功率之间有严格的线性关系， 这就可以把光强的变化无畸变地转化成电流的变化，实现了光信号与电信号之间的转换。例如，可以把胶片上的音迹转换成声频信号，在无线电传真中把稿件和等转换成电信号以便传送29(2)光电倍增管光电倍增管中的阴极在光的照射下发射出光电子，电子光学系统使光电子在电场的作用下按预定轨道运动，在电子倍增系统(由1015个倍增阴极组成)上激发出的次级电子，最后被阳极收集形成阳极电流。光电倍增管可使光电阴极发出的481倍0，光电子数增至10在探测弱光等方面