第16章 光电效应 光的波粒二象性.ppt

* * MNUST SHISHI· CHINA 光的粒子性 大学物理学 闽南理工学院 2012·ZXChen 第十六章 §16-2 光电效应 光的波粒二象性 一 光电效应的实验规律 A V 光电效应效应示意图 A K 1. 光电效应实验 在光的照射下，电子从金属表面逸出的现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。 遏止电势差U0与光电子的最大动能Ekm的关系 2. 光电效应实验规律 1）存在截止频率（红限）ν0 只有当入射光的频率ν大于截止频率ν0 时，才能产生光电效应； 2）遏止电势差与入射光频率具有线性关系； 铯 锌 铂 3）光电效应具有瞬时性。 3. 经典理论遇到的困难（与实验结果不符） 1）按经典理论，无论何种频率的入射光，只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属； 2）按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定积累时间，积累到足以使电子逸出金属表面。 二 光子 爱因斯坦方程 1. 光子 爱因斯坦提出光子假设，将光束视为由光子组成的粒子流，每个光子都以光速 c 运动，光子的能量为 式中 ，是普朗克常数， 为光的频率。 爱因斯坦的光子假设，解决了光电效应实验规律与经典理物理理论的矛盾 。 频率为ν的光是由能量为hν的光子组成；光的频率越高，光子的能量越大；对于给定频率的光，光的强度越大，光子数密度越大。单个光子的能量取决于频率，而光的强度既与频率有关，又与光子数密度有关。 2.爱因斯坦方程 产生光电效应时，电子逸出时所需要做的功，称为逸出功（电子克服金属表面的束缚做的功）用W表示 设电子的初动能为 ，根据能量守恒定律 ——爱因斯坦方程 此时电子的初动能为零，电子刚好能逸出，则截止频率 1）当光子的频率增大到 时，逸出功为 2）只有 时，电子才能从金属表面逸出，并具有一定的初动能；若 ，电子吸收的能量小于逸出功W，则电子不能逸出金属表面。 讨论 3. 爱因斯坦对光电效应的实验解释 1）入射光的强度I 取决于单位时间内垂直通过单位面积的光子数 n ； 2）当 时，电子无法获得足够能量脱离金属表面，存在截止频率 ； 3）光电子的动能与频率 成正比，遏止电势差U0与频率 成正比； 4）入射光子的能量（ ）被金属表面的电子一次吸收，因此具有瞬时性。 光电效应的实验显示了光的粒子性；某一束单色光，就是由大量能量相同的光子构成的光子流。 三 光的波粒二象性 波动性：光的干涉和衍射（传播时） 粒子性： （与物质相互作用时） 根据狭义相对论的动量和能量关系式 光子的静止质量m0=0，则光子的能量为 光子的动量为 描述光的粒子性： 描述光的波动性： 描述光的粒子性的物理量E、p与描述光的波动性的物理量 ，通过普朗克常数h联系在一起，h常称为作用量子。 2） 3） 例. 波长为450nm的单色光射到金属钠的表面上， 求：1）这种光的光子的能量和动量； 2）光电子逸出钠表面时的动能； 3）若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？ 1） 解： 已知钠的逸出功 §16-5 德布罗意波 实物粒子的二象性 实物粒子（如电子、原子、分子）也具有波动性，这种波称为德布罗意波或物质波。 一质量为m、以速度v 作匀速运动的实物粒子，既具有以能量为E、动量为p 的粒子性，也具有以频率ν和波长λ的波动性。 实物粒子的能量与频率、动量与波长间的关系与光子类似，即 则以动量p运动的实物粒子的波的波长为 ——德布罗意公式 ⑵德布罗意公式给出了与实物粒子相联系的波的波长和粒子动量之间的关系。 ⑴当实物粒子的速率vc 时，m=m0；当实物粒子的速率v→c 时， ⑷德布罗意假设被电子衍射实验所证实，德布罗意为此获得诺贝尔物理学奖。 ⑶德布罗意波或物质波，是与实物粒子相联系的波。 ——德布罗意公式 讨论 *