16光电效应

量子物理学牛顿力学、热学、电磁学和波动学，统称经典物理学。经典物理学研究的基本上是宏观领域的物理现象。经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功，但有它的局限性。相对论指出了经典物理学的第一个局限性不适用高速运动领域。量子物理学指出了经典物理学的第二个局限性不适用于电子、原子、分子等微观领域。相对论和量子物理学统称近代物理学。从经典物理学到近代物理学，不仅仅是尺度上的问题，而是一次物理观念的革命，是人们认识物质世界的一次飞跃。量子物理学研究的对象是微观粒子(如电子、原子、分子等)。而微观粒子往往有我们意想不到的性质。这其中最主要和最普遍的是微观粒子的量子性和波动性。当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。§26.2光电效应一、光电效应AKGV阳极阴极W石英窗光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。光电子在电场作用下形成光电流。1.光电效应实验二、光电效应的实验AKGV阳极阴极将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Ue时，光电流恰为0。Ue称遏止电压。221cevmceU遏止电压UeUI0UaIH光强较强光强较弱I'H2.光电效应的实验结果遏止电压饱和电流(1)光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。(2)存在截止频率c----极限（红限）频率对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率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。从光开始照射到光电逸出所需时间10-9s。(3)光电效应是瞬时的三、经典理论无法解释光电效应的实验结果。按照经典波动理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。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，即需能量的积累过程。为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。频率为的光是由大量能量为=h光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。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是如此.四.爱因斯坦的光量子假设AEhk在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出：1.爱因斯坦光电效应方程A:为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；221vmEek为光电子的最大初动能。当＜A/h时，不发生光电效应。红限频率hA0光强I光子数N打出光电子多光电流大Ahm221hA时才能产生光电效应。光子打出光电子是瞬时发生的。爱因斯坦方程光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！例题波长为4000的单色光照射在逸出功为2.0的金属材料上，求：光电子的初动能，截止电压，红限频率AeV解：由光电效应方程：221mWhJ1077.1106.10.21040001031063.6W-191910-834k---W-hchE截止电压V106.1106.11077.1211919020--⇒eEUmeUk红限频率HzhWννhWoo1434-19-108.41063.6106.10.2⇒×=×××===eV)106.1106.11077.11919（关于光电效应有下列说法：(1)任何波长的可见光照射到任何金属表面都能产生光电效应；(2)若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别受到不同频率的光照射时，释出的光电子的最大初动能也不同；(3)若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别受到不同频率、强度相等的光照射时，单位时间释出的光电子数一定相等；(4)若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则当入射光频率不变而强度增大一倍时，该金属的饱和光电流也增大一倍．其中正确的是(A)(1)，(2)，(3)．(B)(2)，(3)，(4)．(C)(2)，(3)．(D)(2)，(4)．答案D光子的数量增加一倍光子的能量不同，光子的数量相同2.光子的性质1.能量h2.质量光子有质量m=h/c23.动量P=mc=h/c=h/hp波粒二象性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。3.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(1891-1962)(ArthurHollyCompton)美国著名的物理学家、“康普顿效应”的发现者。1920年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任，1923年起任芝加哥大学物理系教授，1927年度诺贝尔物理学奖§26.2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，把这种现象称为“康普顿效应”一、康普顿效应二.康普顿散射的实验装置晶体光阑X射线管探测器石墨体(散射物质)j0散射波长(1)散射光中除有与入射线波长相同的，还有比入射线波长大的波长称为电子的Compton波长)cos1(jc波长的偏移只与散射角j有关，与散射物质的性质无关。0c=0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）2sin22jc实验结果1.康普顿效应的主要特点是(A)散射光的波长均比入射光的波长短，且随散射角增大而减小，但与散射体的性质无关．(B)散射光的波长均与入射光的波长相同，与散射角、散射体性质无关．(C)散射光中既有与入射光波长相同的，也有比入射光波长长的和比入射光波长短的.这与散射体性质有关．(D)散射光中有些波长比入射光的波长长，且随散射角增大而增大，有些散射光波长与入射光波长相同．这都与散射体的性质无关．答案D三、经典电磁理论的困难射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，根据经典电磁波理论，当电磁波通X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞碰撞过程中能量与动量守恒四、康普顿效应的理论解释碰撞→光子把部分能量传给电子→光子的能量散射X射线的频率，波长波长1Å的X射线：eV10~4光子外层电子束缚能,室温下kT~10-2eV，所以外层电子近似可看成是静止的。e自由电子(静止)0hvmjm0h0h光子:能量动量碰撞前碰撞后能量动量电子:0hh20cmh2mcmv能量守恒:h0+m0c2=h+mc2动量守恒:0vmnchnchˆˆ00evmjm0000ˆnchPnchpˆ)cos1(00jcmhcmhc0解得)cos1(jc=0.0243Å=2.4310-3nm（理论值）c=0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）→散射线中还有与原波长相同的射线光子还可与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞→相当于光子和整个原子碰撞→在弹性碰撞中散射光子的能量(波长)几乎不改变五、康普顿散射实验的意义支持了“光量子”概念，进一步证实了首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设：证实了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖。P=E/c=h/c=h/=h1925—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，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）吴有训中国近代物理学奠基人教育家例:设有波长为=1.0010-10m的X射线的光子与自由电子作弹性碰撞.散射X射线的散射角=90,问(1)散射波长与入射波长的改变量为多少?(2)反冲电子得到多少动能?解:(1)m1043.22sin2-1020jce静止能0hh20cm(2)反冲电子的动能kE代入数据得Ek=4.7110-17J=295eV电子所得动能Ek即为光子能量的损失.思考：什么散射角电子的反冲能量是最大的？)()11(0000hchchhe静止能0hh20cmj