15.2 光电效应 爱因斯坦光量子理论

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1、15.2光电效应爱因斯坦光量子理论一、光电效应的实验规律金属及其化合物在光照射下发射电子的现象称为光电效应。逸出的电子为光电子，所测电流为光电流。光电效应现象是德国物理学家赫兹于1887年研究电磁波的性质时偶然发现的。当时赫兹只是注意到用紫外线照射在放电电极上时，放电比较容易发生，却不知道这一现象产生的原因。1爱因斯坦(Einstein)UAkGTKA入射光线1.实验原理T为真空管，K为发射电子的阴极，A为阳极，用一定频率和强度的单色光照射K时,金属将释放出光电子，若在两极上加一定的电压U,则回路中就出现光

2、电流。2伏安曲线2.实验规律（1）光电流阴极K在单位时间内发射的光电子数与入射光的强度I成正比。光电流I随UAK增大而增大，趋于饱和值is，光电流与单位时间从阴极发射的光电子数成正比。3（2）截止频率对一定金属，只有入射光的频率大于某一频率ν0时,电子才能从该金属表面逸出，这个频率叫（红限）。如果入射光的频率小于截止频率则无论入射光强度多大，都没有光电子逸出。4几种金属的逸出功和红线不同物质的红线不同，多数金属的红线在紫外区。5（3）遏止电压当UAK=0时，I≠0。因为从阴极发出的光电子具有一定的初动能，它

3、可以克服减速电场而到达阳极。当UAK＜0并达到一定值时,I=0,此时电压称为遏止电压Ua。表明在此电压下，逸出金属后具有最大动能的光电子也不能到达阳极。此时有6（4）瞬时性光电效应具有瞬时性，响应速度很快，延迟时间不超过10-9秒。遏止电压与照射光的频率成线性关系。71.经典理论认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上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。2.经典理论认为有无光电效应不应与频率有关。但实验上光电流与红限有关。二、经典物理解释的困难3.在瞬时性上，

4、经典理论认为光能量分布在波面上，吸收能量需要时间，即光电子逸出金属表面所需能量应有一段时间的积累过程。8三、爱因斯坦光子假说和光电效应方程一束光是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子；频率为v的每一个光子所具有的能量为hv,它不能再分割，只能整个地被吸收或产生出来。1.光子假说爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上进一步提出了光子假设。光子：92.光电效应方程按照光子假说,并根据能量守恒定律,当金属中一个电子从入射光中吸收一个光子后，获得能量hv，如果hv大于该金属的电子逸出功A，这个电子就能从金属中逸出，

5、并且有——爱因斯坦光电效应方程式中是光电子的最大初动能。103.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。入射光较强时，含有的光子数较多，所以获得能量而逸出的电子数也多，饱和电流自然也就大。（2）当时,电子无法获得足够能量脱离金属表面，因此存在红限。11（3）根据遏止电压与入射光的频率成正比，比例系数与材料的性质无关。得（4）入射光中光子的能量被金属表面的电子一次吸收，因此具有瞬时性。121916年美国实验物理学家密立根，利用光电效应测定了普朗克常量h，从而

6、证实了爱因斯坦光子论的正确性。密立根根据截止电压与入射光的频率成正比关系，得到如图所示的Ua～ν直线。红限对于金属钠，该直线的斜率为13由爱因斯坦方程利用两边取微分,得爱因斯坦方程写成通过计算可得此值与公认值较接近。14由于爱因斯坦在理论物理方面的成就和发现光电效应规律；密立根在基本电荷和光电效应方面的工作，两位物理学家分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。15四、光（电磁辐射）的波粒二象性光子动量光子能量光子质量光具有波粒二象性。光在传播过程中，波动性比较显著，光在与物质相互作用时（发射和吸收）

7、，粒子性比较显著。16五、光电效应的应用利用光电效应可以制成光电成像器件，能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可观察记录、传输、储存的图像。例如，红外变像管可以使红外辐射图像转变为可见光图像。像增强器可以把夜间微弱光学图像增强为高亮度可见光学图像。光电倍增管可以将微弱光信号转换成可测电信号。17解例1波长为450nm的光照射到金属表面。求（1）光子的能量和动量；（2）光电子的逸出动能；（3）如果光子的能量为2.40eV,其波长为多少？以电子伏特为能量单位,则（1）光子能量18光子的动量（2）由爱因斯坦方

8、程金属钠的逸出功A=2.28eV（3）如果光子能量为2.40eV,则波长19解例2钾的光电效应红限为0=6.210-7m。求（1）电子的逸出功；（2）在波长为3.010-7m的紫外线照射下,遏止电压为多少？（3）电子的初速度为多少？（1）逸出功20（2）利用遏止电压（3）电子的初速度21