大学物理-量子物理基础21-02--光的量子性--光电效应

第21章量子物理基础21.2光的量子性1光的量子性光电效应第21章量子物理基础21.2光的量子性2如果说光电效应是光的粒子性的实验证据，发现这一效应却是赫兹在1887年研究电磁波的波动性质时偶然发现的。他用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套充当接收器。电极之间存在火花放电的缝隙。他发现当紫外光照在负电极上时，放电就比较容易发生。当光照射到金属表面上时，有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。逸出的电子称为光电子。第21章量子物理基础21.2光的量子性3外光电效应：由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。内光电效应：一些晶体或半导体在受到光照时，其内部的原子释放的光电子仍留在材料内部，使材料的导电性增强。研究光电效应主要是要解决以下问题：1）当光照射到金属表面时，从金属表面逸出的光电子数和什么因素有关；2）光电子的初动能由什么因素决定；3）产生光电效应的条件是什么；4）如何从理论上解释光电效应。第21章量子物理基础21.2光的量子性4W石英窗光线经石英窗照在光电管的阴极Ｋ上，就有电子从阴极表面逸出——光电子。光电子在电场的作用下向阳极Ａ运动，形成光电流。AK阳极阴极AV一、光电效应实验的规律第21章量子物理基础21.2光的量子性5光电流反映了单位时间从阴极到达阳极的光电子数目。实验表明：在一定强度的单色光照射下，光电流随加速电压的增加而增大，但当加速电势差增加到一定量值时，光电流不再增加，达到饱和。1I2Iim1im2io0UU12II光电流和电压的关系曲线当光电流饱和时，单位时间从阴极逸出的光电子全部到达阳极。第21章量子物理基础21.2光的量子性61）饱和光电流饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流就是单位时间从金属表面逸出的总的光电子数N与电子电量e的乘积，即：NeI饱和结论：单位时间从金属表面逸出的总的光电子数与入射光强成正比。光电流和电压的关系曲线1I2Iim1im2io0UU12II第21章量子物理基础21.2光的量子性72）光电子初动能与入射光频率的关系当两极间加反向电压，光电子克服电场力作功。当逸出时初速度最大的光电子也不能到达阳极，光电流就为0，即：光电流恰为零时所加的反向电压U0称为截止电压。2max012meU截止电压的大小反映光电子最大初动能的大小。光电流和电压的关系曲线1I2Iim1im2io0UU12II第21章量子物理基础21.2光的量子性8实验表明：截止电压与入射光强无关，而与入射光频率具有线性关系，即：000||(),()Uk00||eUekek结论：光电子的最大初动能随入射光的频率线性增加，而与入射光的强度无关。2max01,2mekek即：改变阴极材料，不同阴极金属0不同；但曲线斜率k不变。0UCsKCu000第21章量子物理基础21.2光的量子性93）产生光电效应的条件（截止频率0——红限）对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率0。所以，当入射光频率0时，电子才能逸出金属表面。0称为光电效应的红限。结论：当入射光频率0时，无论光强多大，也无电子逸出金属表面。2max010,2mekek要产生光电效应，必须有：截止频率与材料有关，与光强无关。0,即：第21章量子物理基础21.2光的量子性104）光电效应是瞬时的。当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。从光开始照射，到光电逸出所需时间10-9s。几种纯金属的截止频率金属截止频率Hz10/1404.5455.508.06511.53铯钠锌铱铂19.29第21章量子物理基础21.2光的量子性11按照光的电磁理论，光是电磁波。当光照到金属上时，金属中的电子受到入射光波中电场的作用而受迫振动，吸收光波的能量，从而逸出金属表面。光的强度和光振动的振幅有关，而且，光的能量是连续分布在光场中的。光电效应的实验规律是经典理论不能解释的。第21章量子物理基础21.2光的量子性12因此，按照光的电磁理论：1）光强愈大，受迫振动的振幅愈大，逸出的光电子的初动能就应愈大。初动能应取决于入射光强；2）只要入射光强足够大，对于任何频率的光，光电效应都会发生，不应存在截止频率；3）入射光的能量是连续传来的，电子要逸出金属表面，能量必须积累到一定值（逸出功），这需要一定的时间，入射光强越弱，能量积累时间越长。第21章量子物理基础21.2光的量子性13二、爱因斯坦的光量子假设1、内容：光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也具有粒子性。即认为：一束光是一粒粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。每一个光子的能量为=h，为光的频率，h为普朗克常数。不同频率的光子具有不同的能量。当普朗克还在寻找他的能量子的经典根源时，爱因斯坦在普朗克能量子概念基础上，再大胆地前进了一步。1905年提出了光量子假设，并指出光量子和电子碰撞并被电子吸收从而导致电子的逸出。第21章量子物理基础21.2光的量子性14在光电效应中，金属中的一个电子从入射光吸收一个光子后，就获得h的能量，2、爱因斯坦光电效应方程一部分用于电子逸出金属表面时需克服金属阻力做的功Ａ（逸出功），另一部分变为光电子的初动能。由能量守恒可得出：（光电效应方程）光子能量逸出功光电子初动能Aυmνhm+=221第21章量子物理基础21.2光的量子性15按光子假设，频率为的光束是由许多能量均为h的光子组成的光子流。因此，对单个光子，能量取决于频率；对一束光来说，能量既与频率有关，又与光子数有关。即为：Ｉ＝Ｎh。光强正比于单位时间通过单位面积的光子数。光强越大，光子数越多。入射光强(光的能流密度)，等于单位时间垂直通过单位横截面积的光能，就是单位时间垂直通过单位横截面积的光子数与每一光子能量h的乘积。第21章量子物理基础21.2光的量子性163、光电效应的解释1）截止频率0（红限）的解释,0AhhA0,hAhA0当入射光频率0时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。不同金属具有不同的截止频率。一个电子同时吸收两个或两个以上光子的概率几乎为零。Aυmνhm+21=20212max≥υm第21章量子物理基础21.2光的量子性17初动能及反向截止电压与成线性关系，而与光强无关。201||2mmeUAh由可知，0hAUee0||U的解释21,2mm2）光电子初动能与入射光频率成线性关系，即：3、光电效应的解释Aυmνhm+21=2第21章量子物理基础21.2光的量子性18金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，则单位时间打在金属表面的光子数就越多，逸出的光电子数越多，饱和光电流越大。3）光电流正比于光强的解释光强正比于单位时间流过单位面积的光子数Ｉ＝Ｎh。光强越大，光子数越多。4）光电效应瞬时性的解释当光照在金属上，光子与金属中的电子发生碰撞，光子能量一次地被一个电子吸收。只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。第21章量子物理基础21.2光的量子性19频率一定，光强越大则单位时间打在金属表面的光子数就越多，产生光电效应时单位时间被激发而逸出的光电子数也就越多，故饱和光电流与光强成正比。每一个电子所得到的能量只与单个光子的能量有关，即只与光的频率成正比，故光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，与光强无关。一个电子同时吸收两个或两个以上光子的概率几乎为零，因此，若金属中电子吸收光子的能量即入射光频率时，电子不能逸出，不产生光电效应。光子与电子发生作用时，光子一次性将能量交给电子，不需要持续的时间积累，故光电效应瞬时即可产生。光子理论成功地解释了光电效应实验规律第21章量子物理基础21.2光的量子性20爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。就连普朗克也认为爱因斯坦太过分了。普朗克提出能量子的概念是光在吸收和发射地方的意义，并不是在真空中的意义。作为广布于空间的电磁波，它的能量是连续分布的。他认为光在真空中的过程已由麦克斯韦方程组解决了。直到1913年，普朗克还一直对爱因斯坦持否定态度。美国物理学家密立根用了十年时间企图用实验结果否定光量子假设，结果在1915年宣布爱因斯坦正确。他证实了由爱因斯坦光量子理论得到的h值与普朗克公式中的h值完全相同。第21章量子物理基础21.2光的量子性21美国物理学家密立根在物理学上的重要贡献是对电子的电荷进行了精确的测量。结果表明，电子电荷是一个独立的常数，而不是统计数的平均值。1913年因这项成果获美国科学院的康斯托克奖章。密立根的另一重要贡献是从实验上证实了爱因斯坦的光电效应理论，并对普朗克常数作了最准确的估计。他由于在电子电量和光电效应方面取得的成就，于1923年获诺贝尔物理奖。密立根（RobertAndrewsMillikan,1868-1953）第21章量子物理基础21.2光的量子性22一般处理光电效应的问题，要用到以下几个关系：爱因斯坦光电效应方程00||(),Uk截止电压与入射光强无关，而与入射光频率具有线性关系。20max1||2eUm2max012mekekhek0AAhekAυmνhm+=221第21章量子物理基础21.2光的量子性230heUA0hAUee0Uhe0Uhe0U0遏止电势差和入射光频率的关系的测定h爱因斯坦方程：Aυmνhm+=221第21章量子物理基础21.2光的量子性24例：铂的逸出功为6.3eV，求：铂的截止频率0。解：hA0J106.1eV11934190106.6106.13.6Hz106.914Aυmνhm+=221第21章量子物理基础21.2光的量子性25例：钾的截止频率0=4.621014Hz，以波长=435.8nm的光照射，求：钾放出光电子的初速度。解：212ehmA02cmhe149831341062.4108.4351031011.9106.62sm/1072.550hA第21章量子物理基础21.2光的量子性26例：已知铯的红限波长o=6500Å，今有波长为=4000Å的光投射到铯表面，试问:1）由此发射出来的光电子的速度是多少?2）要使光电流为零，遏止电势差为多大?解：1）由光电效应方程Amh221ohchcmυ221代入数据求得：=6.5×105(m/s)2012mυeUc=由此求得：U0=1.19(V)311011.9mh=6.63×10-342）由公式第21章量子物理基础21.2光的量子性27利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性，可以制造光电转换器，实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器如光电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。三、光电效应在近代技术中的应用利用光电管制成的光控制电器，可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等等。光电光度计也是利用光电管制成的，它是利用光电流与入射光强度成正比的原理，通过测量光电流来测定入射光强度的。有些曝光表就是一种光电光度计。第21章量子物理基础21.2光的量子性28使电磁铁M磁化，而把衔铁N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M就把衔极Ｎ放开。将衔极和控制机构相连接，就可以自动控制。用光电效应还可测量一些转动物体的转速。放大器接控件机构光光控继电器示意图ＮＭ光控继电器的工作原理是：当光照在光电管上时，光电管电路中产生电光流，经过放大器放大，第21章量子物理基础21.2光的量子性29除光电管外，利用光电效应还可以制造多种光电器件，如光电倍增管、电视摄像管等，这里介绍一下光电倍增管，这种管子可以测量非常微弱的光。光电