光电效应

第二节光电效应光的干涉、衍射现象说明了光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象---光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电1.什么是光电效应当光线照射在金属表面时，能使金属中的电子从表面逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流2.光电效应的实验规律（1）存在饱和电流光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。（电压一定时，电流也越大）思考：为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？分析解答：光束照在阴极K上会发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大实验效果，增强实验“可见性”）。思考：保持光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压，大家分析光电流会怎样变化？VGAK阳极阴极：使光电流减小到零的反向电压－++++++一一一一一一v加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。若c221eUvmcecv速率最大的是最大的初动能U=0时，I≠0，因为电子有初速度则I=0，式中UC为遏止电压(2)存在遏止电压和截止频率存在遏止电压UCEEUFKA实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.光的频率ν改变时，遏止电压也会改变。2c12ecmveU=光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。（同种材料）IIsUaOU黄光（强）黄光（弱）光电效应伏安特性曲线遏止电压饱和电流蓝光Ub思考：对刚才的实验，加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？经研究后发现：当入射光的频率减小到某一数值时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了，这一数值称为截止频率或极限频率。存在截止频率c对于每种金属，都相应确定的截止频率c。当入射光频率c时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。光电效应在极短的时间内完成(3)具有瞬时性VGAK阳极阴极电子是怎样吸收入射光的能量的呢？思考：如果入射光的频率超过截至频率，做两次实验，第一次用很弱的光照射，第二次用很强的光照射，都能立刻有电流产生吗？光电效应实验表明：1、只要频率高于截止频率，即使光强很弱也有光电流，频率低于截止频率，无论光强再大也没有光电流2、光强决定光电流的大小。3、光电子的最大初动能与入射光频率呈线性关系。（与光强无关）4、光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上吸收能量要时间，即需要能量积累的过程。以上四个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。二.光电效应解释中的疑难1、按照波动说，光是电磁波，当光照到金属表面时，金属中的电子将从入射光中吸取能量。能否逸出金属表面取决于入射光的能量。而入射光的能量由光强决定，光强又取决于光的电磁振动的振幅。和光的频率无关。2、按波动说，入射光的光强越大，金属中电子所获得的能量就越大，频率低光强大的光，也应该能把电子从金属表面打出来，然而实验中暗淡的蓝光照出的光电子的能量居然比强烈的红光照出的光电子能量还大。3、按波动说，从金属表面逸出的电子，初动能只能由入射光的光强决定。实验中却和入射光的频率呈现线性关系。4、按波动说，光的能量是均匀分布在整个波面的。金属中的电子吸收能量的范围很小很小。要想从金属表面逸出，需要积累能量。这需要时间。然而现实是无论光的强弱。只要频率大于截止频率。光电子就会立刻发射出来。1.光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。爱因斯坦的光子说hvE爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：三.爱因斯坦的光电效应方程2.爱因斯坦的光电效应方程0WhvEk——光电子最大初动能——金属的逸出功W0221cekvmE一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：3.光子说对光电效应的解释①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hνW0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。hWvc0②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。③对于同种颜色（频率相同）的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。0WhvEk由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。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。4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖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，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。康普顿效应第2课时1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射2.康普顿效应1923年康普顿在做x射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。五.康普顿效应3.康普顿散射的实验装置与规律：晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j0散射波长康普顿正在测晶体对X射线的散射按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！康普顿散射曲线的特点：a.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。b.新波长随散射角的增大而增大。散射中出现≠0的现象，称为康普顿散射。波长的偏移为0=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................（A°）0.7000.750λ波长.......0称为电子的Compton波长)cos1(jc只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角j有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，0c=0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难五.康普顿效应解释中的疑难①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。②无法解释波长改变和散射角关系。2.光子理论对康普顿效应的解释①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；2.首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；3.证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。六.康普顿散射实验的意义康普顿效应康普顿效应康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家19271925—1926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，4.吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了重要贡献。在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。0120j（1897-1977）吴有训2mcEhchcchmcP2hE2chm六.光子的动量hEhP动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的光的粒子性一、光电效应的基本规律小结1.光电效应现象2.光电效应实验规律①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；②当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；④入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒.1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时()A.锌板带正电，指针带负电B.锌板带正电，指针带正电C.锌板带负电，指针带正电D.锌板带负电，指针带负电B练习2.一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是()A.延长光照时间B.增大光束的强度C.换用红光照射D.换用紫光照射D练习5.关于光电效应下述说法中正确的是()A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应练习D练习课本P361、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。紫光不是最亮的。一为光强，因为光的亮度由两个因素决定，二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。练习课本P362、在光电效应实验中（1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？（2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。（2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。练习课本例题P36分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止电压UC与光的频率ν之间是线性关系eW0hW0即：Uc—ν图象是一条斜率为的直线eh练习分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：eW0hW0cceKeUvm：E221因为遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关Ek越大，Uc越高；Uc为零，Ek为零，即