近代-1-光电效应

1 2 mVm = eU c 2
7
5. 截止电压与入射光频率的关系
Uc
5. 5 Na Ca K A i G V
ν 7.5(1014Hz)
Uo
截止电压与入射光频率成线性关系。 而且，对于不同的金属材料，其直线平行。
U c = kν − U 0
k 是普适常数与材料无关
不同材料 U 0 值不同
8
U c = kν − U 0
m 、能量 ε
p 描述。
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光子的相对论质量
m= m0 1−V
2
c
2
所以只能是 m0 = 0 ， 即光子是静止质量为零的一种粒子。
对于光子，V
=c
，而 m 是有限的，
由于光速不变，光子对于任何参考系都不会静止， 所以在任何参考系中光子的质量实际上都不会是零。
ε = hν 2 E = mc
光子 质量
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1 2 mVm = hν − A 2 1 2 mVm = eU c 2
h A Uc = ν − e e
一个电子一次吸收一个 具有足够能量的光子 而逸出金属表面 是不需要多长时间的， 因此，光电效应的延迟时间极短。
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爱因斯坦的“光子”假说， 完全解释了光电效应。
光子概念被证明是正确的。
一束光波就是一束光子流， 光子能量ε = hν 光波在辐射、传播、吸收过程中 都是量子化的
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1916年密立根（ikan）做了精确的光电效应 实验，利用Uc—ν 的直线斜率K，定出h = 6.56×10-34J.s。
1 2 m v m = hν − A 2 eU c = eK ν − eU 0
h = eK
这和当时用其他方法定出的h符合得很好。从而进一步 证实了爱因斯坦的光子理论。 尽管如此，密立根还是 认为光子理论是完全站不住脚的。可见，一个新思想要 被人们接受是相当困难的。
3
K
A
i G
V
实验还表明，不同金属的红限频率不同。
2. 光电流与正向电压的关系
K A i G V
iM 2
饱和 光电流
i
ν >ν 0
0
I2
照射光强
U
当用大于红限频率的某固定频率的光照射某金属时， 光强一定时，光电流随加速电压的增加而增加； 当加速电压增加到一定值时，光电流不再增加， 而是达到一饱和值 i m 。 饱和现象说明，此时，单位时间内从阴极K逸出的 光电子已经全部被阳极A接收。
§12-2 光电效应与爱因斯坦的光量子理论 一、光电效应的实验规律
1887年赫兹发现 紫外光 勒纳德证明 确实是电子! 逸出带 电粒子
光电效应：当光（包
括可见光在内的电磁辐 射）照到金属表面时， 金属 电子从金属表面逸出的 光电效应中产生的 现象。 电子称为“光电子”。
1
一、 光电效应的实验规律
逸出的光电子具有一定初动能
1 2 mVm = eU c 2
Uc
Na 5. 5 Ca
1 2 mVm = ekν − eU 0 2
2
ν 7.5 (1014Hz)
Uo
可见，入射光的频率必须大于某一值， 1 才能使 mVm 2 ≥ 0 ， 电子才能逸出金属表面成为光电子， 发生光电效应。 这一极限值就是红限频率
U0 ν0 = k
9
6. 光电效应与光照时间的关系
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(2)光电倍增管
光电倍增管中的阴极在光的照射下 发射出光电子， 电子光学系统使 光电子在电场的作用下按预定轨道运动， 在电子倍增系统(由10～15个倍增阴极组成)上 激发出更多的次级电子， 最后被阳极收集形成阳极电流。 光电倍增管可使光电阴极发出的 光电子数增至
10 ~ 10 倍，
30
4
8
在探测弱光等方面获得了广泛的应用。
波长大或障碍物小→波动性突出 波长小或障碍物大→粒子性突出 光作为电磁波是弥散在空间而连续的 统一于 光作为粒子在空间中是集中而分立的 “概率波”
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光电效应的应用
由于光电效应中的光电流与入射光强成正比， 可用来实现光信号与电信号之间的相互转换， 应用于电影、电视及其它现代通信技术。 光电效应的瞬时性，在自动控制和自动计数 等方面也有极为广泛的用途。 (1)光电管和固态光电探测器 (2)光电倍增管 (3)光电成象器件 (4)光敏电阻
光电子的逸出， 几乎是在光照射到金属表面的那一刻发生的， 其延时在
−9
10 s
以下。
即使用极弱的光，只要光频率大于红限频率， 光电效应的发生几乎与光照时间无关。
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二、 光电效应经典理论解释的困难
经典理论认为：光是一种电磁波。
经典理论无法解释： 1光电子能否逸出的问题， 即无法解释“红限”问题。 2光电子的初动能与入射光的频率成线性关系， 而与入射光强无关。 3光电子的逸出几乎与光照时间无关 经典理论无法对光电效应的本质问题给出解释
K A i
AK加正向电压时， 具有一定初速度的光电子 在电场加速下向阳极A运动， 就形成光电流。
G AK加反向电压， 光电子在电场减速下向阳极A运动 V 如果反向电压小， 光电子仍能到达阳极，形成光电流； 当反向电压达到某值时， 具有最大初动能的光电子也不能 到达阳极A，就不能形成光电流。 注意：不能以光电流的有无来判断光电效应是否发生， 而应以是否有光电子逸出为判断光电效应是否发生的标准。2
4
3. 饱和电流与入射光强的关系
当用大于红限频率的某固定频率的光照射某金属时，
实验表明，饱和电流
im 与光强 I
I2 I1
成正比。
iM 2
i
饱和光电流
K
A
i G
i M1
照射光强
V
I2>I1
U
5
0
ν >ν 0
4 . 截止电压
iM 2
i
饱和光电流
I2 I1
K
A i G
i M1
照射光强
I2>I1
V
U
−Uc
0
ν >ν 0
当反向（减速电压）增加时，电流并不为零。 仅当反向电压等于某值 U c 时，电流为零； 再增加反向电压，电流一直为零。 这一电压值 U c 称为截止电压。
6
截止电压的存在说明，此时， 从阴极K逸出的具有最大初动能的光电子， 由于受到外加电场的阻碍， 也不能到达阳极A了。 根据能量分析，得到 光电子从阴极K逸出时的最大初动能 与截止电压的关系
光的波动理论在光电效应的实验结果上遇到了“灾难”。
爱因斯坦的光子理论产生
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三 、 爱因斯坦的光子理论
此时普朗克还在寻找他的能量子的经典理论根源， 而爱因斯坦却大大发展了他的能量子的概念。
爱因斯坦光量子假设（1905）： 1电磁辐射是由以光速c 运动的局限于空间某一 小范围的光的能量子单元 —— 光子所组成， 光子能量 ε = hν 2光量子具有 “整体性” 光的发射、传播、吸收都是量子化的。 3 一束光就是以速率 c 运动的一束光子流。 光强
当加速电压较小时，由于其他的阻碍作用，从阴极K上打落的 光电子并没有全部到达阳极A，因此，光电流较弱。 当加速电压逐渐增加时，能够到达阳极A的光电子数随之增加， 因此，光电流随加速电压的增加而增加。
当单位时间内从阴极K上打落的光电子 全部被加速电压运送到阳极A时，再增大加速电压， 能够到达阳极A的光电子数不会增加了， 因此，存在饱和电流
1. 红限ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ率的存在
实验表明，只有当入射光的频率 大于某一值 ν 0 时， 才能从金属表面释放电子。 当入射光的频率 ν < ν 0 时， 无论光强多强、照射时间多长、 加的正向电压多大， 都不会有光电流产生， 即不能发生光电效应。 而 ν > ν 0 的光都能产生光电效应。 这一频率 ν 0 称为红限频率， 相应的光波长 λ 0 称为红限波长。
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(1)光电管和固态光电探测器
在密封的玻璃壳内，中心的小球 或环形物构成阳极A， 涂在玻璃壳内表面的银、钾或锌等 光电材料构成阴极K。 在两极之间接一电池组，当光照射到阴极K上时， 电路中就有光电流通过， 饱和电流与照射光的功率之间有严格的线性关系， 这就可以把光强的变化无畸变地转化成电流的变化， 实现了光信号与电信号之间的转换。 例如，可以把电影胶片上的音迹转换成声频信号， 在无线电传真中把稿件和图片等转换成电信号以便传送
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1868 — 1953 1879 — 1955 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
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五 光的波粒二象性 在19世纪，通过光的干涉、衍射等实验， 人们已认识到光是一种波动——电磁波， 并建立了光的电磁理论——麦克斯韦理论。 进入20世纪，从爱因斯坦起， 人们又认识到光是粒子流——光子流。
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关于光的本性的全面认识就是： 光既具有波动性，又具有粒子性
在有些情况下，光突出地显示出其波动性， 而在另一些情况下，则突出地显示出其粒子性。
光的这种本性被称为波粒二象性。 光既不是经典意义上的“单纯的”波， 也不是经典意义上的“单纯的”粒子。
光的波动性用 光波的波长 λ 光的粒子性用 光子的质量 和频率ν 和动量 描述，
当反向减速电压达到某一数值 U c 时， 连具有最大初动能（沿电场方向的最大初动量） 的光电子都不能到达阳极A时，光电流才为零。 17
由于e 和 h 都是与金属材料无关的常数， A是与金属材料有关的常数， 因此，截止电压与入射光频率成线性关系。 而且，直线的斜率 k = h e 与金属材料无关， 对于所有金属材料，直线是平行的； 但由于金属的逸出功 A 与金属材料有关， 对于不同的金属材料，直线的截距不同。