爱因斯坦光量子理论
o
U0 （ 一定） U AK
伏安曲线
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3
第15章 量子物理基础
（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。
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第15章 量子物理基础
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。
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9
第15章 量子物理基础
2.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，并且有
h
A
1 2
mvm 2
—— 爱因斯坦光电效应方程
式中
1 2
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13
第15章 量子物理基础
由爱因斯坦方程
h
A
1 2
mvm 2
利用
1 2
mvm 2
eU a
爱因斯坦方程写成 h A eUa
两边取微分,得 Ua h
e
通过计算可得 h 6.191034 J s
此值与公认值 h 6.62607551034 J s 较接近。
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14
第15章 量子物理基础
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。
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15
第15章 量子物理基础
四、光（电磁辐射）的波粒二象性
光子能量 E mc2 h
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2
第15章 量子物理基础
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。
i
I1 I2 I3
is1 is2 is3
I1
I2
I3
此时有
i
is
1 2
mvm 2
eU 0
Ua
o
U AK
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第15章 量子物理基础
遏制电压与照射光的频率成线性关系。
Ua
Cs K Ca W
01 02 03 04
0
（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。
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4
第15章 量子物理基础
几种金属的逸出功和红线
金属 铯 钾
参数
Cs K
逸出功/eV
1.94 2.25
红线 0 1014 Hz 4.69 5.44
红线 0 μm 0.639 0.551
钠锌钨银 Na Zn W Ag 2.29 3.38 4.54 4.63 5.53 8.06 10.95 11.19 0.541 0.372 0.273 0.267
mvm
2
是光电子的最大初动能。
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10
第15章 量子物理基础
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 。
I nh
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 h A 时, 电子无法获得足够能量 脱离金属表面，因此存在红限 0 。
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1
第15章 量子物理基础
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 电流。
入射
光线 A
T K
G
UAk
爱因斯坦(Einstein)
光子质量
m
h
c2
h
c
光子动量
p
m c
h
c
h
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
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8
第15章 量子物理基础
三、爱因斯坦光子假说和光电效应方程
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： h
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。
0 A h
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第15章 量子物理基础
（3）根据
h
Байду номын сангаас
1 2
mvm2
A
,
eU a
1 2
mvm2
得
Ua
h
e
A e
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。
（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。
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12
第15章 量子物理基础
1916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。
对于金属钠，该直 线的斜率为
Ua
红限
0
U0 3.87 1015 V s
不同物质的红线不同，多数金属的红线在 紫外区。
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5
第15章 量子物理基础
（3）遏制电压 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, 此时电压称为遏制电压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。
7
第15章 量子物理基础
二、经典物理解释的困难
1.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。
3.在瞬时性上，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。
光量子概念
光量子概念
1.光量子就是通常所说“光子”的全称，由爱因斯坦提出的。
爱因斯坦指出，在光的发射、吸收和传播过程中，能量是一份一份的、不连续的，其中的最小能量单元称光量子，简称光子。
一个光子的能量与光的频率成正比，比例系数称普朗克常量。
大小为：6.63*10^(-34)
2.爱因斯坦的光量子理论，虽然能正确地解释光电效应，但
仍然没能广泛承认，就连普朗克这位最早提出量子论的人，也认为爱因斯坦的理论“太过分”了。
3.原因就在于我们前面所说的“途中”。
普朗克只认为电磁
波在发射和吸收能量时是一份一份的，而爱因斯坦认为在传播过程中也具有这样的性质。
4.爱因斯坦理论的提出，使人们对光本质的认识前进了一大
步。
他重新引入微粒观，又肯定了波动的意义。
主要是由于爱因斯坦的工作，使得光的波粒二象性确立，即光有时表现有波动性，有时表现为粒子性。
5.实验中的“斯托克斯定律”是爱因斯坦理论的证明。
斯托
克斯定律是：如果光碰上一块发荧光的平面，那么荧光的频率几乎总是比较低的，决不会高过引发辐射的频率。
如果用波动理论，则无法解释，在光量子的假说中，通过爱因斯坦方程可以看到，打在屏幕上的量子放出一部分能量，因此被反射的量子能量较小，频率也较小。
另外，照相底板受到光照时，即使光线强度极弱，感光层的某些小颗粒也会起变化，而感光层的其他部分则依旧如故。
这证明是光量子命中的部分引起变化。
爱因斯坦对量子理论的贡献
爱因斯坦对量子理论的贡献正像历史学家认为17世纪下半叶是牛顿(Newton，1642--1727)的时代那样，人们常把20世纪的上半叶看成是爱因斯坦(Einstein，1879-1955)的时代，因为他的相对论开创了物理学的新纪元，正因为爱因斯坦的相对论对物理学的影响非常深远，以至于一谈到爱因斯坦在物理学领域的贡献，人们首先想到的就是他的狭义相对论、广义相对论，而他对量子理论和量子力学的贡献却知之甚少，甚至，由于爱因斯坦始终反对量子力学的哥本哈根诠释而被误认为是量子理论发展中的一个顽固派，事实上，在爱因斯坦一生的科学工作中，量子力学始终是他关注的重要领域，他不仅对早期的量子论，而且对现行的量子力学理论的形成和完善都有过重要贡献。
2爱因斯坦对量子力学的贡献2.1光量子理论量子概念和量子假设起源于普朗克1900年对黑体辐射的础究，他在研究黑体辐射时，获得了一个与实验结果一致的纯粹的经验公式，1900年12月，他提出了量子论假说，普朗克的量子论虽然符合实验结果，但是在相当长的时间内不为人们所理解和重视，连普朗克本人对量子的假设也感到迷惑不解，甚至一再企图把这一概念纳入经典物理学体系，但是，就在这个时候，又发1/ 9现了用经典理论无法解释的新现象——光电效应，把一块擦的很亮的锌板连接在验电器上，用弧光灯照射锌板(如图1)，验电器的指针就张开了，这表示锌板带了电，进一步的检查表明锌板带的是正电，这实验表明在弧光灯的照射下，锌板中的一些自由电子从表面飞出来了，这种在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，最初观察到光电效应的时候，物理学家们没有感到惊讶，但是，进一步的研究发现，对各种金属都存在极限频率和极限波长，如果入射光的频率比极限频率低，那么无论光多么强，照射时间多么长，都不会发生光电效应；而如果入射光的频率高于极限频率，即使光不强，当它射到金属表面时也会观察到光电效应，这一点无法用光的波动理论解释，还有一点与光的波动性相矛盾，这就是光电效应的瞬时性，按波动理论：如果入射光比较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累足够的能量，飞出金属表面，可是事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过10-9s。
爱因斯坦提出光的量子理论
苹果为什么 垂直落地？为什 么不向旁边、不 向上而总是向着 地面落下呢？
牛顿凝视苹果落下的瞬间一直被看成是引 发牛顿导引出万有引力灵感的一刻。但是也有 人认为这不过是后人由于特殊的原因，捏造的 一个故事而已。机你会认只为眷苹顾果那坠些落有的准故备事的是头真脑实。 的吗？为什么？
材料一：我之所以能比别人看得远些，是因为 我站在巨人们的肩上。
史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）
1942年1月8日在英国牛津出生，曾先后毕业 于牛津大学和剑桥大学，并获剑桥大学哲学博 士学位。
他在21岁时就不幸患上了会使肌肉萎缩的卢伽 雷氏症，演讲和问答只能通过语音合成器来完 成。
英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授， 当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是本世 纪享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最 伟大的科学家，还被称为“宇宙之王”。
的遗嘱，不发讣造，不举行公开葬礼，不建坟墓，不 立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉 布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地 方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌 德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：
我们全都获益不浅，
全世界都感谢他的教诲； 那专属他个人的东西， 早已传遍广大人群。 他像行将陨灭的彗星， 光华四射， 把无限的光芒同他的光芒永相连结。
这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。
3 广义相对论（1916年提出）
2005世界物理年
红色——代表过去 蓝色——代表未来 黄绿——代表连结 过去到未来
对物理学家而言，这个标 识象征的是光锥；对一般大众 而言常被看成是沙漏，象征着 爱因斯坦在时间相对性上渊博 的见解及洞察力。
爱因斯坦的逝世与葬礼： 1955年4月18日爱因斯坦病逝于普林斯顿。遵照他
爱因斯坦光量子理论
04
光量子理论的实验验证
光电效应实验
总结词
光电效应实验是验证光量子理论的重要 实验之一，它证明了光具有粒子性。
VS
详细描述
光电效应实验中，光子照射在金属表面， 会使电子从金属表面逸出，形成电流。这 一现象无法用经典电磁理论解释，但与爱 因斯坦的光量子理论相符，即光具有粒子 性和能量。
康普顿散射实验
03
改变了对光的认识
爱因斯坦的光量子理论改变了人们对于光的本质的认识，从波动理论转
变为光具有粒子性质的理论，为现代光学和物理学的发展奠定了基础。
对未来的展望
探索更深入的量子现象
随着量子力学的发展，人们可以进一步探索光和其他物质的更深入的量子现象，如量子纠 缠、量子隐形传态等。
实现更高效的光子技术
基于爱因斯坦光量子理论，人们可以进一步发展更高效的光子技术，如量子密码学、量子 计算等，为未来的信息科技和通信技术提供更强大的支持。
详细描述
这些实验包括光子干涉实验、双缝干 涉实验、光子偏振实验等。这些实验 都证明了光的量子性质，进一步证实 了爱因斯坦的光量子理论。
05
光量子理论的应用
量子通信
量子密钥分发
利用量子力学的特性，实现密钥 的安全分发，保证通信过程中信 息的不可窃听和不可篡改。
隐形传态
利用量子纠缠现象，实现信息的 传输，即使在通信双方之间没有 直接连接的情况下也能传递信息 。
爱因斯坦的贡献
爱因斯坦在1905年提出了光量 子的概念，成功地解释了光电效
应。
他认为光是由粒子组成的，这些 粒子被称为光子。每个光子都有 一定的能量，这个能量与光的频
率成正比。
爱因斯坦的光量子理论为物理学 的发展开辟了新的道路，对后来 的量子力学和现代光学的发展产
第10讲 光电效应 爱因斯坦光量子理论
第10讲光电效应爱因斯坦光量子理论3. 只有当入射光频率 n 大于截止频率或红限频率 n 0 时，才会产生光电效应；4. 光电效应是瞬时发生的，只要入射光频率 n > n 0，无论光多微弱，驰豫时间不超过 10-9 s 。
2. 截止电压 U c 与入射光频率 n 呈线性关系：一、光电效应的实验规律1. 在频率一定的入射光照射下，饱和光电流强度 i m 与入射光强 I 成正比；U c = K n - U 0KU 00=n二、光电效应实验曲线 i 0 Ui m1 i m2 I1I 2 > I 1 -U c I 2U c —— 截止电压 c 212m eU mv = 4.0 6.0 8.0 10.0 n (1014 Hz ) 0.0 1.0 2.0 U c (V ) Cs Na Ca θ12.0 直线与横坐标的交点就是截止频率或红限频率 n 0。
光是由一束以光速运动的光量子(光子)组成。
mcc h h p ===n λnh =E 光子能量： 光子动量： 光子质量： 三、爱因斯坦光子理论)(0 022===m c h c m n E四、爱因斯坦光电效应方程红限频率(截止频率)： 由金属材料的逸出功 A 决定 h A =0n 五、光的波粒二象性光有时表现出波动性的一面，又有时表现出粒子性的一面。
A h νv m -=2m e 21Q3.10.1有人说：“光的强度越大，光子的能量就越大。
”对吗？答：错。
光子的能量由频率决定，与光的强度没有直接关系。
在光电效应实验中，若只是入射光强度增加一倍；对实验结果有什么影响？Q3.10.2(a )答：光强 I = N h n N 为单位时间通过垂直光传播方向单位面积的光子数。
n 不变 ， I 增加一倍，N 增加一倍， 饱和光电流强度增加一倍。
以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电流曲线在图中用实线表示，然后保持光的频率不变，增大照射光的强度，测出其光电流曲线如图中虚线所示。
爱因斯坦光量子假说
光在传播过程中也表现出粒子现象， 如光电效应、康普顿散射等，表明光 具有粒子特性。
爱因斯坦的光量子假说
光量子假说的提出
光子能量与波长的关系
爱因斯坦在1905年提出了光量子假说， 认为光是由能量量子组成，这些能量 量子被称为光子。
根据公式E=hc/λ，光子的能量与波长 成反比，其中c是光速，λ是光子的波 长。
爱因斯坦光量子假说
• 引言 • 光量子假说的提出 • 光量子假说的验证 • 光量子假说的意义 • 结论
01
引言
背景介绍
Байду номын сангаас
01
19世纪末，经典物理学面临光本 质的挑战：光的波动理论与光的 粒子理论相矛盾。
02
1900年，普朗克提出量子假说， 认为能量是一份一份的，成功解 释了黑体辐射问题。
爱因斯坦的贡献
1905年，爱因斯坦在解释光电效应 时，提出了光量子的假说，认为光是 由粒子组成的，即光子。
爱因斯坦的光量子假说为量子力学的 发展奠定了基础，并因此获得了1922 年的诺贝尔物理学奖。
02
光量子假说的提出
光的波粒二象性
光的波动性
光在传播过程中表现出波动现象，如 干涉、衍射等，类似于水波、声波等 机械波。
制。
开拓新的科技领域
光量子假说启示我们可以通过控制 和利用光量子，开拓新的科技领域， 如量子通信、量子计算等。
创新思考方式
光量子假说挑战了传统观念，鼓励 我们以创新的思考方式探索自然界 的奥秘，推动科技不断向前发展。
05
结论
爱因斯坦光量子假说的影响
物理学革命
爱因斯坦的光量子假说对物理学 产生了深远的影响，它改变了人 们对光的本质和量子力学的理解， 为现代物理学的发展奠定了基础。
2.2 光电效应 爱因斯坦光量子理论
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，饱和电流也就大。
（3）当 h A 时, 电子无法获得足够能量脱 离金属表面，因此存在红限 0 。
0 A h
11
近代物理
第2章 量子物理基础
（4）遏止电压与照射光的频率成线性关系:
h
1 2
mvm2
A
eU c
1 2
mvm2
该金属表面逸出，
这个频率叫截止频 如果入射光的频率小于截止
率（红限）。
频率则无论入射光强度多大， 都没有光电子逸出。
7
近代物理
第2章 量子物理基础
二、经典物理解释的困难 红限问题
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→与实验结果不符。
瞬时性问题 按经典理论，电子逸出金属所需的能量， 需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使 电子逸出金属表面为止→与实验结果不符。
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
定电压, 则回路中就出现光电流。 爱因斯坦(Einstein)
2
近代物理
第2章 量子物理基础
3
近代物理
第2章 量子物理基础
2.实验规律
阴极 K 在单位时间
i
内发射的光电子数与入
射光的强度 I 成正比。
is
（1）瞬时性
（ 2 ） 饱 和 电 流 Is ： 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。
第2章 量子物理基础
2.爱因斯坦光电效应方程
h
A
1 2
mvm2
爱因斯坦光量子假说的基本内容
爱因斯坦光量子假说的基本内容一、引言爱因斯坦光量子假说是指物理学家爱因斯坦于1905年提出的关于光的微粒性质的假设。
该假说对于解释光的发射和吸收过程，以及光的粒子性质具有重要意义。
本文将介绍爱因斯坦光量子假说的基本内容。
二、光的粒子性质爱因斯坦提出的光量子假说认为，光以离散的能量粒子形式存在，这些粒子被称为“光量子”或“光子”。
光子的能量由公式E=hf给出，其中h是普朗克常数，f是光的频率。
这意味着光的能量是量子化的，而不是连续的。
三、光的发射和吸收根据爱因斯坦的光量子假说，光的发射和吸收过程可以用光子的概念来解释。
当原子或分子从一个能级跃迁到另一个能级时，会发射或吸收光子。
发射光子时，能级差就等于光子的能量。
而吸收光子时，光子的能量被吸收物体所吸收。
这一观点对于解释电磁辐射和能级跃迁过程具有非常重要的意义。
四、光的波粒二象性光既可以作为波动现象解释，也可以作为粒子现象解释，这是光的波粒二象性。
爱因斯坦的光量子假说揭示了光的粒子性质，补充了电磁波的波动理论。
这一假说对量子力学的发展产生了深远的影响，并为更多微观粒子的波粒二象性研究奠定了基础。
五、光量子假说的应用爱因斯坦的光量子假说在许多领域有广泛的应用。
其中一个重要应用是在激光技术中。
激光是由射出的光子所组成的，光子的特性决定了激光的一些独特性质。
另外，光量子假说也对光电效应的解释提供了重要基础，后来为量子力学的建立做出了重要贡献。
六、总结爱因斯坦光量子假说认为光以离散能量粒子光子的形式存在，且光的发射和吸收过程可以用光子的概念来解释。
这一假说揭示了光的波粒二象性，为量子力学的发展奠定了基础。
光量子假说在激光技术和光电效应等领域有重要应用。
通过对爱因斯坦光量子假说的研究，我们对光的微粒性质有更深入的了解。
光的量子理论
光的量子理论光的量子理论是20世纪最伟大的科学发现之一，它改变了公认的物理学观。
它的发现奠定了物理学的新标准，也为更精准的科学分析打开了大门，在其后的几十年中，科学家们建立了量子力学，形成了量子力学的理论。
光的量子理论的提出，是由爱因斯坦在1905年提出的“光的量子”这一观念所引发的。
爱因斯坦指出，光是一种粒子性质的物质，它可以分成许多小粒子，他称之为“光子”。
他认为，光是一种确定的粒子，具有一定的能量，也就是说，光的能量可以分离出来而成为可以被计量的能量块，这一观念称为光的量子理论。
随后，爱因斯坦的观点受到了霍金斯的赞许，他进一步指出，光的量子是一种半波性质的粒子，它具有粒子性和波性的特性，具有一定的水平和垂直原子结构，可以在某种媒介中传播，从而形成光波和激发态。
这就是所谓的量子力学，其主要理论是物质及运动都是有量子化的，以及量子力学能够解释物质在微观和宏观空间内的表现。
光的量子理论改变了人们对物理学的认识。
之前，人们认为光只能按照几何学的原则运动，认为把光作为一种光子的形式是不可能的。
但是爱因斯坦和霍金斯却指出，这种想法是错误的，它们提出了一种新的物理观，认为光可以分解成许多小量子，并在某种媒介中以量子形式传播，这种新的观念也就是所谓的量子力学。
自此以后，量子力学成为科学研究的一个新的领域，它给出了一个更细致的物质解释，在分析物质的性质，相互作用及变化方面，它提供了更精确的结果。
量子力学的发展促进了许多领域的发展，比如量子化学，绝热量子技术，量子计算机等。
总之，光的量子理论改变了人们对物理学的认识，它能够更精准的描述物质的微观表现和相互作用，它为科学家们提供了一个新的框架来描述物质的性质，从而形成各种不同领域的量子理论，在当今仍然是科学发展的基石。
爱因斯坦光量子理论
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第15章 量子物理基础
1 2 由爱因斯坦方程 h A mvm 2
1 2 利用 mvm eU a 2 爱因斯坦方程写成
h A eUa U a h 两边取微分,得 e 通过计算可得 h 6.19 1034 J s 此值与公认值 h 6.6260755 1034 J s 较接近。
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第15章 量子物理基础
例1波长为 450 nm 的光照射到金属表面。 求（1）光量为 2.40eV ,其波 长为多少？ 解（1）光子能量
E h
hc
以电子伏特为能量单位, 则
4.42 10
19
J
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9
第15章 量子物理基础
2.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，并且有
1 2 h A mvm 2
—— 爱因斯坦光电效应方程
4.42 1019 E eV 2.76eV 19 1.60 10
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18
第15章 量子物理基础
光子的动量
E 27 1 p 1.47 10 kg m s c 1 2 （2） 由爱因斯坦方程 h A mvm 2
金属钠的逸出功 A = 2.28 eV
1 2 式中 mvm 是光电子的最大初动能。 2
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10
第15章 量子物理基础
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 。