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33第三十三讲光的量子性讲解
1
21.2 光的量子性
光电效应
光的量子性
基本概念:光子 光的二象性
基本规律:爱因斯坦光电方程 康普顿效应
作业:练习38 光的量子性
教学基本要求
1 了解经典物理在解释光电效应实验规律时所遇到的困难,理解爱因斯坦光子假设,掌握爱因斯坦光电方程。
2 理解康普顿效应的实验规律,以及爱因斯坦光电理论对这个效应的解释,理解光的波粒二象性。
一、光电效应
1.实验:
1.实验:
在光照射下,电子从金属表面逸出的现象,叫做光电效应。
逸出的电子叫光电子。
光电子形成的电流叫光电流。
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:
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。
光电流I随加速电压U的增加
而增大。
加速电压U增加到一定量值时, 光电流不再增加,达到饱和。
c) 饱和光电流强度与入射光强度成正比。
光强较小
光强较大
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:
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
c) 饱和光电流强度与入射光强度成正比。
2)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:
实验表明:
截止电压的大小反映光电子最大初动能的大小。
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:
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。
②代①
3)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 。
要产生光电效应,必须有:
截止频率与阴极金属材料有关,与光强无关。
4)光电效应是瞬时的。
几 种 纯 金 属 的 截 止 频 率
从光照射到金属表面上,到阴极释放光电子,无论入射光强多微弱,光电效应几乎同时发生,其时间间隔不超过10 -9 s。
光入射到金属内部,这时物体内部会释放出电子,但这些电子仍留在物体内,从而使物体的导电性能增强,这种光电效应——内光电效应。
5)光照射到金属表面,使电子从金属表面逸出,产生的光电效应—外光电效应(仅讨论外光电效应)。
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。
2.用经典的电磁波理论解释光电效应实验规律的困难
b)经典:无论何种频率的入射光,只要其强度足够大,就能产生光电效应。不应存在截止频率或红限。
2.用经典的电磁波理论解释光电效应实验规律的困难
光电效应实验:若入射光的频率小于截止频率,无论其强度有多大,都不能产生光电效应。存在截止频率或红限。
a)经典: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。
光电效应实验: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。
2.用经典的电磁波理论解释光电效应实验规律的困难
c)经典:光电子逸出金属表面所需的能量,是直接吸收照射到金属表面上的光的能量。当入射光的强度很微弱时,电子需要有一定时间来积累能量,因此,光照射到表面上以后,应隔一段时间才有光电子从金属表面逸出来。需时间
为了解决光电效应实验规律与经典物理理论的矛盾,1905年爱因斯坦对光的本性提出了新的理论。
二、爱因斯坦的光子假设
1.按照爱因斯坦的光量子假设:
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。
讨论:
a) 频率为? 的光束是由许多 能量 均为h? 的光子组成的光子流。
c) 对给定频率的光束来说,光的强度越大, 光子的数目越多。
在光电效应中,金属中的一个电子从入射光吸收一个光子的能量全部后,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
其中,逸出功A与金属的种类有关。
初动能及反向截止电压与入射光频率? 成线性关系,而与光强无关。
1)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
3、光电效应的解释
2) 截止频率?0 (红
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