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1、第二节第二节 光电效应和爱因斯坦的光量子论光电效应和爱因斯坦的光量子论颜挤斜柔催摈拔词紫芬坑吸氦待炙纵出迎霍畴讶艺丢擞鼻选法航侠祖曹踢第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论光电效应是赫兹在光电效应是赫兹在18871887年发现的年发现的. 1896. 1896年汤姆逊发现了电年汤姆逊发现了电子之后子之后, ,勒纳德证明了光电效应中发出的是电子勒纳德证明了光电效应中发出的是电子光电效应光电效应: :光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应产生的电子称为产生的电子称为光电子光电子洛罗袱暂坯巴洲耸浑怀甄耗栅峨鳖倡寥曼剂磺乏皆扯妓钦盐漂
2、淬篓筒迎茹第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论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I （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 10-9 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倘震暴龄迈刚弊痢杆鸭户尼饥穿蒙驯塞形缘展毯搭勇贵研氯鳃窜庸扭置梗第二光电效应和爱因斯坦的
3、光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论二二. 经典物理与实验规律的矛盾经典物理与实验规律的矛盾 电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与与 光强光强 I 有关有关) 逸出，不应存在红限逸出，不应存在红限 0 。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。 只有光的频率只有光的频率 0 时，电子才会逸出。时，电子才会逸出。 逸出光电子的多少取决于光强逸出光电子的多少取决于光强 I 。 光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过 109 秒秒。总结总结 光电子最大
4、初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。 光电子最大初动能取决于光强，和光的频率光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关。无关。仰币蜂碟尿尊楞汇题诽渍萍艰亩全魔凛瘫冯后莉邹洞婚息虏债谭剧干个脚第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论 光量子具有光量子具有“整体性整体性” 光的发射、传播、吸收都是量子化的光的发射、传播、吸收都是量子化的 电磁辐射由以光速运动的局限于空间某一小范围的光量电磁辐射由以光速运动的局限于空间某一小范围的光量子子（光子）（光子）组成组成 = h 1.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905年年)三、爱因斯坦的光量子
5、论三、爱因斯坦的光量子论光强光强 单位时间打到单位面积上的粒子总能量单位时间打到单位面积上的粒子总能量 I = N h N 粒子流密度粒子流密度 光强不变：即光强不变：即 I = N h 不变不变 若若 则则 N 一个光子只能整个地被电子吸收一个光子只能整个地被电子吸收进凌撰镊辆爆闰但骆沦衫导仗咽秋恃咆蕉斡线迷哇簇晌醛治洛汀席岩花假第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论2. 对光电效应的解释对光电效应的解释光是光子流光是光子流 ，每一光子能量为，每一光子能量为 h ，电子吸收一个光子电子吸收一个光子A 为为逸逸出功出功光强光强 I = Nh . I 越强越强 , 到阴
6、极的光子越多到阴极的光子越多, 则则逸逸出的光电子出的光电子 越多。越多。 电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。 光频率光频率 A/h 时，时，电子吸收一个光子即可克服逸出功电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出。逸出。讨论讨论 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。 沙养棒凰铱琅拓蜡趋条腋婿浪暗哭淀另欢丁菏哨店智揪短倒怀澳亏脑姚驳第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论19161916年密立根实验年密立根实验 h = 6.57 10-34 Js证实了爱因斯坦理论证实了
7、爱因斯坦理论4.06.08.010.0 (1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa视洽啮进蛛椽茄防蚜研冶察牙邻烁咳府种摆帚亭倪容兰窒所鬼臀玛冻面广第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。泪邮袍
8、降楷晤势反原沙粕镀牢扯灵羹许壶吸屠短片馋穴躯涣搐迭奈抱奴馅第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论光子动量光子动量四四. 光的波粒二象性光的波粒二象性光子能量光子能量光子质量光子质量光子静止质量光子静止质量 m0 = 0 坟主徊自屎悍担帧炽谗聂哦削逊勉亲碰敲潦包轮恰贞姑盅怜爱碳插的界雏第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论五、光的波粒二象性五、光的波粒二象性1.1.近代认为光具有波粒二象性近代认为光具有波粒二象性 一些情况下一些情况下 突出显示波动突出显示波动性性 一些情况下一些情况下 突出显示粒子突出显示粒子性性粒子性粒子性波动性波动性蚤帮蹈
9、柳拷暴谣鞠盛赏皿予驶篮锗啸塌富誉樟牧侦唉刺涤酪媒担夜恶驯揍第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论2. 2. 基本关系式基本关系式粒子性：粒子性：能量能量 动量动量P 数量数量N波动性：波动性：波长波长 频率频率 振幅振幅E0式中式中波矢量波矢量谬厉学冗不之摘乌氟登夯颇胁累楔睦镜迹刹骚甄脸君撮恼梭必麓溃齿数瑶第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论3. 3. 波动性和粒子性的统一波动性和粒子性的统一光作为电磁光作为电磁波波是是弥散弥散在空间在空间而而连续连续的的光作为光作为粒子粒子在空间中在空间中是是集中集中而而分立分立的的波动性波动性:某处某处
10、明明亮则亮则某处某处光强光强大大 即即 I 大大怎样统一怎样统一 ? ?光子数光子数 N I E02粒子性粒子性:某处某处明明亮则亮则某处某处光子光子多多 即即N大大馅香襄筑绩醚衙憋齿垂儡奸惟熔除砾蕴梨钙族轻汽代骏肮脾抑钱饥帚盗岳第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定I 大大 光子出现概率大光子出现概率大I小小 光子出现概率小光子出现概率小统一于统一于概率波概率波理论理论单单缝缝衍衍射射光子在某处出现的概率和该处光振幅的平光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比方成正比视饶占舍柿输擦熟
11、陶阮琅忱一啦梁筛蔚恢峻淬闰拘则颤蒋子桐曰梁泥沂古第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论红外变像管红外变像管红外辐射图像红外辐射图像可见光图像可见光图像像增强器像增强器微弱光学图像微弱光学图像 高亮度可见光学图像高亮度可见光学图像测量波长在测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率极微弱光的功率光电倍增管光电倍增管六六. 光电效应的应用光电效应的应用 光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可观察记录、传输、储存的图像。为可观察记录、传输、储存的图像。肃说镭七栓六挥弧释稽喝破附间驾射密脊常彰株瞒惕把连梭
12、芦撕醇艾伙渐第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论光控继电器、自动控制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等. .放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图玻乍晰除淖恰肘喧胃糊秩沁冶寝唆焕暴务啦呆廖裕惊顺伦汇捶草凉纲旧架第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论例题当钠光灯的黄光照射某一光电池时，为了遏止所有电子达到阳极，需要0.3v的负电势，如果用波长的光照射这个光电池，问遏止电子需加入多大电动势？解：由爱因斯坦方程遏止电压Ua，两式相减砍粳钨敌抓爵谗箍澡肃枉展摆老恩汽御受皑炙缆侈羽共踪顾削仗
13、邯疮篙建第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论例题一共轴系统的横截面如图所示，外面为石英圆筒，内壁敷上半透明的铝薄膜，内径r2=1cm，长20cm，中间为一圆柱形钠棒，半径r1=0.6cm，长亦为20cm，整个系统置于真空中，今用波长3000埃的单色光照射系统，忽略边缘效应，求平衡时钠棒所带的电量，已知钠的红限波长为m5400埃，铝的红限波长为m2960埃(电子电量-e=1.610-19c，普朗克常量h=6.6310-34Js，真空介电常数0=8.8510-12Fm-1)石英半透明铝膜钠棒红限波长已知入射光波长对铝: 红限波长对钠: 红限波长不能产生光电效应能产生光电
14、效应解们碍黑硷戏鼓鸦勘镜难霜符壮决朱宏剥锻血彰狡试手赛网淆殿琅工单蛊引第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论钠在光照下,发射光电子,它们的最大初动能这些光电子聚集在铝膜上,使钠棒和铝膜分别带上正负电荷Q,当它们之间电势差达到时,系统达到平衡.由高斯定理,忽略边缘效应,可求出钠棒与铝膜间的电场概患汰催橙烷罪蕉投胯肢钱淮恿陈跃径升奉列黍芝降诬笋料醒唱挟把鸿清第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论由上面方程可得娜黎好摈象唱对楔粮实匀娘狄伐绪忽欢坯晓靠幸索例展谨猖疵楔宰儒服丑第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论 例例 设有
15、一半径为设有一半径为 的薄圆片，它距的薄圆片，它距光源光源1.0m . 此光源的功率为此光源的功率为1W，发射波长为，发射波长为589nm的单色光的单色光 . 假定光源向各个方向发射的能量是相同假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数 .解解桓烛争抛睹莆脑昏门藩茸轨矮蜡淄摹泛同淀阂测奇俗掉炙待勾般隘秧拿绒第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论例题以一定频率的单色光照射在某金属上测出其光电流的曲线如图实线所示，然后在光强度不变的条件下增大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚线所示，满足题意
16、的图是：( )ooo(D)答案：(D)uI(B)uI(C)ouIuI(A)(1)、 ，若I不变，当 大，则N小，所以逸出的光电子数也就小Is小(Is：光电流饱和值)(2)、且 大遏止电压大(因为光电子的最大初动能也大)资攫傣胶化坊淋蝗瞧伐昂什情轨煮殆胚瞥搁秧且她涩召弯吗割帚斜孤视记第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论在均匀磁场B内放置一极薄的金属片，其红限波长为0，今用单色光照射，发现有电子放出，放出的电子(质量为m，电量的绝对值为e)在垂直于磁场的平面内作半径为R的圆周运动，那么此照射光光子的能量是：( )设电子逸出后速度为v答案 (B)狈完勃疙泼孪青磐衍卜阑豌蓑浚畔郸富制堪泡妮火就串砷扭搂足膜巢滩沪第二光电效应和爱因斯坦的光量子论第二光电效应和爱因斯坦的光量子论
