量子物理学-光电效应与光量子假说20150920
《2. 光电效应与光的量子说》PPT课件(江苏省县级优课)
2、用绿光照射一光电管能产生光电效应，欲使光电子从阴
极逸出时的最大初动能增大应（ D ）
A．改用红光照射
B．增大绿光的强度
C．增大光电管上的加速电压
D．改用紫光照射
3、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵 敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器指针张开一
个角度，如图所示，这时 ( B )
答：（1）当入射光频率高于截止频率时，光强 增加，发射的光电子数增多；当入射光频率低 于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有 光电子发射出来。
（2）入射光的频率增加，发射的光电子最 大初动能增加。
一部分消耗在电子逸出功W，另一部分变为光电子
逸出后的动能 1 mv2.由能量守恒可得：
2
h
1 2
mv2
W0
W 为电子逸出金属表面所需做的功，叫逸出功；
0
1 mv2 为光电子的最大初动能。 2
讨论：12 mv2 与遏止电压的关系？
(2)光电效应方程包含了产生光电效应的条件.
若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，
A．锌板带正电，指针带负电 B．锌板带正电，指针带正电 C．锌板带负电，指针带正电 D．锌板带负电，指针带负电
4、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一
种方法可能使该金属发生光电效应（ C ）
A. 增大入射光的强度
B. 增加光的照射时间
C. 改用黄光照射
D. 改用紫光照射
5、在光电效应实验中 （1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？ （2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？
由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效 应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。
挑战自我
光电效应与光子量子理论
光电效应与光子量子理论光电效应是指当光照射到金属表面时，会引发电子的产生和释放的现象。
这一现象被广泛应用于无线电通信、照明、太阳能等领域。
在20世纪初，这一现象的解释引发了物理学上的一场革命，即光子量子理论的提出。
光电效应的发现和研究可以追溯到19世纪末。
当时，德国物理学家海因里希·赫兹发现了金属在受到紫外线照射时会释放出电子的现象。
这一发现引发了对于光电效应的广泛研究。
根据经典电磁理论，光的波动性被广泛接受。
然而，经典理论无法解释光电效应中观察到的现象。
根据经典理论，光的能量应当被均匀地吸收，而不会引发电子的释放。
但实际观察到的情况是，只有当光的频率高于某个临界值时，光电效应才会发生。
这与经典理论的预测相矛盾。
为了解释这一现象，阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出了光子量子理论。
根据光子量子理论，光不仅具有波动性，还具有粒子性。
光子是光的微粒，它携带能量，并与物质发生相互作用。
光照射到金属表面时，光子被金属中的电子吸收，其能量被转移给电子。
当光子的能量大于电子与金属结合所需的能量时，电子从金属中解离出来。
这就是光电效应的起源。
光子量子理论的提出极大地推动了光学和量子物理学的发展。
这一理论提供了对光电效应和其他一系列光学现象的准确解释，并为之后量子力学的发展奠定了基础。
光子量子理论的重要性不仅在于解释光电效应，它还为我们理解光与物质相互作用的本质提供了关键洞察。
通过光子量子理论，我们可以理解电子在固体中的行为，从而推动了半导体材料的发展与应用。
光电效应和光子量子理论的应用远不止于此。
在现代无线电通信中，光电效应被广泛应用于光纤通信技术中，实现高速、高带宽的数据传输。
在照明技术中，通过光电效应，我们可以制造出高效节能的LED灯。
光电效应还是太阳能电池的基础，通过将光子能量转化为电能，实现对太阳光的利用。
总的来说，光电效应和光子量子理论的研究和应用发展，极大地推动了现代科学与工程的进步。
光电效应发现与量子假设的提出
光电效应发现与量子假设的提出1905年，德国物理学家爱因斯坦通过对光电效应现象的研究，提出了著名的光电效应理论，进而引出了量子假设。
这一重要的思想突破在当时引起了极大的关注，并为后来量子力学的发展奠定了坚实的基础。
光电效应是指当光照射到金属表面时，金属中的电子会发生反应，从而产生电子流。
早在19世纪末，人们已经意识到了这个现象的存在，但对其本质却知之甚少。
直到1902年，德国物理学家Lenard进行了一系列的实验研究，进一步揭示了光电效应的规律。
根据实验结果，当照射光的频率超过一定的阈值时，光电效应才会发生。
而光电子的动能与光的频率成正比，与光的强度无关。
这一规律引发了爱因斯坦的注意，并因此提出了他的光电效应理论。
爱因斯坦提出的理论基本观点是：光是由具有离散能量的粒子（后来被称为光子）组成的。
当光子与金属表面的电子发生碰撞时，光子的能量被传递给电子，使其脱离金属原子。
这一观点突破了当时物理学界对光的传统观念，激发了后来量子力学的发展。
爱因斯坦的理论得到了实验证实，为光电效应的解释提供了恰当的描述。
随着物理学家对光电效应的深入研究，又有多位科学家为理解光电效应作出了重要贡献。
其中，意大利物理学家恩里科·费米对电子的能量分布函数的研究成果具有重大的意义。
通过费米的研究，人们进一步了解了光电效应的性质和规律。
针对光电效应的研究，光量子假设的提出也起到了重要的作用。
德国物理学家普朗克在推导黑体辐射的公式时，假设光的能量是由离散的粒子组成的。
他认为，光的能量是与其频率成正比的。
这一假设引发了物理学界的广泛争议，但却能很好地解释实验结果。
事实上，这一光量子假设为后来量子力学的发展和应用打下了基础。
从此，光被理解为一种既有波动性又有粒子性的电磁辐射。
通过光电效应的发现与量子假设的提出，我们开始逐渐认识到，微观世界与我们熟悉的宏观世界有着截然不同的规律和行为。
实验结果表明，光的行为既具有波动性又具有粒子性，这对传统物理学理论提出了挑战。
第1节 量子概念的诞生 第2节 光电效应与光量子假说
第1节量子概念的诞生第2节光电效应与光量子假说学习目标核心提炼1.了解黑体辐射及能量子概念，知道黑体辐射的实验规律。
3个概念——黑体黑体辐射能量子4个光电效应规律——截止频率光强与光电流的关系最大初动能与入射光频率的关系瞬时性1个光电效应方程——hν＝12m v2＋A2.知道普朗克提出的能量子假说。
3.了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法。
4.知道光电效应方程及其意义，感受科学家在面对科学疑难时的创新精神。
一、热辐射、黑体与黑体辐射1.热辐射：我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，辐射强度随波长的分布与物体的温度有关。
2.黑体：能够全部吸收外来电磁波而不发生反射的物体。
3.一般材料物体的辐射规律：辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。
4.黑体辐射：加热腔体，黑体表面就向外辐射电磁波的现象。
思考判断(1)只有高温物体才能辐射电磁波。
()(2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。
()(3)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。
()答案(1)×(2)√(3)√二、能量子1.定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常数。
h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。
3.能量子提出的意义：打破了一切自然过程都是连续变化的经典看法，第一次向人们展示了自然界的非连续特性。
思考判断(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。
()(2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。
()答案(1)√(2)√三、光电效应1.光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子吸收光的能量而逸出金属表面的现象。
2.光电子：光电效应中发射出来的电子。
3.光电效应的四个特征(1)发生条件：对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应。
光电效应与量子效应
光电效应和量子效应是经典物理学到量子物理学的过渡。
在经典物理学中，人们认为光是一种经典的波动现象，而电子则被认为是经典的粒子。
然而，随着科学技术的发展，人们逐渐发现一些无法用经典物理学解释的现象。
其中两个重要的现象就是光电效应和量子效应。
光电效应最早由德国物理学家赫兹于1887年发现。
他在实验中发现，当紫外线照射到金属表面时，会产生电子的发射现象。
这就是光电效应。
进一步的研究表明，光电效应与光子的能量有关。
当光子的能量大于金属对应的电离能时，光子能将金属表面的电子打出，并且电子的动能与光子的能量有关，而与光强无关。
这一现象无法被经典物理学解释，因为根据经典的波动理论，光的能量与其强度成正比。
在几何光学中，光线被视作经典的传播波动，其能量被认为是连续的。
然而，光电效应的发现表明光的能量是分子化的，这就引出了量子效应的概念。
量子效应是指微观粒子的行为不再遵循经典物理学的规律，而是遵循量子力学的规律。
量子力学是一种描述微观世界行为的理论。
在量子力学中，光被认为是由一个个离散的能量单元组成的，这些能量单元被称为光子，能量的大小取决于光的频率。
相应地，电子被认为是同时具有粒子和波动性的粒子，其运动状态由波函数来描述。
量子力学中的波函数可以获得电子的定域概率分布，从而解释了光电效应中电子的发射现象。
光电效应和量子效应的发现和研究在物理学上产生了革命性的影响。
这些实验证明了光的能量是离散化的，这与经典物理学中的连续性理论相抵触。
这些实验证明了微观粒子的行为不再受经典物理学的规律约束，引出了一种全新的物理学——量子力学。
量子力学的发展不仅推动了科学技术的进步，而且也深刻影响了哲学和思维模式的转变。
总之，光电效应和量子效应是经典物理学到量子物理学的一个飞跃。
光电效应的发现引出了量子效应的概念，证明了光的能量是分子化的，也表明了微观粒子的行为不再受经典物理学的规律约束。
这些现象的发现促成了量子力学的建立，推动了科学技术的进步，也深刻影响了人们对世界的认识。
第2节 光电效应与光量子假说
答案: 1. λ< λ0 ,ν>ν0 2.
1 2 mv = hν − A 2 2 2
能
hν 0 = A
2.65×10-19 J
2 3. eU = 1 mv A − 1 mv 2
6.01×10-19 J
4. 最大动能6.01×10-19 J
光照越强, 光照越强,单位时间内发出的光子数 越多. 越多.
二、光电效应的特征: 光电效应的特征:
ｅ
1.存在截至Байду номын сангаас率ν0(极限频率) 截至频率ν 截至频率 2.光电流强度由光强决定. 3.光电子的最大初动能与入射光频率呈线性关系. 4.发生时间短(10-9s).
阅读课本p (光的波动说的困难 阅读课本p76)
三、光量子假说
1.光子能量： ε=hν
光电方程
第 2节
光电效应
光量子假说
一、光电效应
1.光电效应：光照射金属表面，使物体发射电子的现象 1.光电效应： 光电效应 2.光电子 光电子： 光电效应中从金属中飞出来的电子。 光电子 3.光电流 光电流： 光电子定向移动形成的电流。 光电流 4.最大初动能 最大初动能： 光电子从金属逸出时的动能。 最大初动能
1905年 （爱因斯坦 1905年）
1 2 2.光电方程： hν = mv + A 2
光子能量 最大初 动能 逸出功
3.截至频率:
A ν0 = h
一光电管的阴极用红限波长λ0=500nm的钠制成,用波长 λ=300nm的紫外线射向阴极,光电管阳极A和阴极k之间的电 势差U=2.1V，求： 1.光电效应能否发生？ 2.若能发生，则其最大初动能是多少？ 3.光子到达阳极时的最大动能是多大？ 4.若电势差不变，入射光的强度增为原来的3倍，此时光电 子到达阳极的最大初动能是多少？
2光电效应与光量子假说
1888年，霍瓦(Hallwachs)发现金 属板被紫外光照射会放电。
用弧光灯照射擦 得很亮的锌板
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
一、光电效应
1.什么是光电效应
当光照射在金属表面时，金属中 有电子逸出的现象，称为光电效应。 逸出的电子称为光电子。
2.光电效应的实验规律
光电效应实验 光线经石英窗照在阴 极上，便有电子逸出---光电子。
②当光电流出现时，光电流的大小由光强决定， 光强越大，光电流越大； ③从阴极发出的光电子的最大初动能与入射光 的频率成线性关系； ④光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸 出所需时间<10-9s。
经典理论无法解释光电 效应的实验结果。
书
3.爱因斯坦的光量子假设
1.内容 光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现， 而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的 光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些 光子沿光的传播方向以光速 c 运动。 2.爱因斯坦光电效应方程 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一 部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后 的动能 Ek 。由能量守恒可得出： hν E A
0
h
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
ห้องสมุดไป่ตู้
k
A 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功； 1
Ek me v 2 2
为光电子的最大初动能。
爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 光强大，光子数多，释放的光电子也 多，所以光电流也大。 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属 表面逸出，所以不需时间的累积。
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铯
钠
锌
银
铂
f0/(1014Hz) 4.55
6.00
8.07
11.5
15.3
0 /nm
660
5能 光电效应中从金属出来的电子，有的从金属表面直接 飞出，有的从内部出来沿途与其它粒子碰撞，损失部分能 量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度 最大，其动能为最大初动能。
由美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大共同出资建造的国际空间站上安装了价值6亿美元、长74 m的太阳能电池板，共装了6.
电 效 应 ， 必 须 有 一 个 最 低 1900年，德国物理学家普朗克(1858-1947)在研究物体热辐射的规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份
地进行的，理论计算的结果才能跟实验事实相符。
（4） 光电流的大小
按图装置，用一定强度的光照射K，电流表中有一定 读数，这时改变 K、A 之间的电压，使其增大，电流表显 示的光电流在增大。但是，当K、A间电压足够大后，电 流表读数不再改变，这就是饱和光电流。即使升高电压， 电流也不会再增大。
此时若再增大入射光的强度， 光电流会随之增大。
实验结论当: 入射光的频率大 于截止频率时，光电流与入射 光的强度成正比。
各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式，称光纤通信。
（3） ( 1 ) 传真机
这个学说被称为光子说。
光电效应产生的时间；
（4） 光电流的大小。
（1）产生光电效应的条件
如 图 所 示 ， 不 同 单 色 光 弧光灯 该现象用光的波动理论是无法解释的，这就不得不使人们对光的本性进行思考，从而为物理学的发展开拓了新的领域。 照 射 不 同 金 属 ， 要 产 生 光 就在赫兹用实验证实麦克斯韦的电磁场理论的时候，也发现了另一种物理现象——光电效应。
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一、光电效应的实验规律
1、光电效应
光照射在金属及其化合物的表面上发射电子的现象称为光电效应（photoelectric effect ）。
实验装置为光电管，在阴极金属表面逸出的电子称为光电子（photoelectron ），电路中出现的电流形成光电流（photocurrent ）。
2、实验规律：
（1）饱和光电流：电流强度随光电管两端电压的增加而增加，在入射光强一定时光电流会随U 的增大而达到一饱和值i m ，且饱和电流与入射光强I 成正比。
（2）遏止电压：将光电管上的电压反向，电子的运动受到抑制，实验发现当反向电压不太大时仍有光电流存在，这说明从阴极发射的光电子具有一定的初速度，当反向电压大到一定数值U a 时光电流完全变为零，称U a 为遏止电压。
显然电子有初动能与U a 之间有关系
a eU m =2v 2
1
（3）红限（截止）频率：当入射光的频率改变时遏止电压随之改变，实验发现两者成线性关系
0U K U a -⋅=ν
只有当入射光频率ν大于一定的频率ν0时，才会产生光电效应，ν0称为截止频率或红限频率。
Ua
从不同材料的U a -ν曲线可看出：不同材料的图线的斜率相同，但在横轴上的截距不同。
说明K 与金属材料种类无关，但U 0与金属材料种类有关。
（4）光电效应瞬时发生的：当入射光无论如何弱，光电子在光照射的瞬间可产生，驰豫时间不超过10-9秒。
二、爱因斯坦的光量子假设
1、经典物理学所遇到的困难
金属表面对电子具有束缚作用，电子脱离金属表面所需要的能量，所需的最少能量称为逸出功，用 A 表示，显然有
A eU A m E a photon +=+=2v 2
1 其中E photon 为吸收的电磁波能量。
按照光的经典电磁理论：光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率！若用极微弱的光照射，阴极电子积累能量达到逸出功A 需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！
2、爱因斯坦光量子假设（1905年）
为了解释光电效应，爱因斯坦假设：
（1）光是由一颗一颗的光子（光量子）组成，每个光子的能量与其频率成正比，即
ν⋅=h E
（2）一个光子只能整个地被电子吸收或放出，光量子具有“整体性”。
（3）根据能量守恒定律，电子在离开金属面时具有的初动能
A eU A m h a +=+=2v 2
1ν 上式即为光电效应方程。
利用爱因斯坦光电方程可以解释光电效应的瞬时性问题和红限频率问题。
3、光电效应的实验验证
Millikan 极力反对爱因斯坦的光子假说，花了十年测量光电效应，得到了遏止电压和光子频率的严格线性关系
()⎩
⎨⎧==⇒-==eK h eU A U K e eU m a m 002v 21ν 由直线斜率K 的测量可以确定（光电效应）普朗克常数。
爱因斯坦年由于他在光电效应方面的工作而获1921年诺贝尔物理学奖；R. A. Millikan （密立根），1923诺贝尔物理学奖得主，研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有
最小单位。
4、光电效应的应用
（1）光电管：光信号→电信号，用于光信号的记录、自动控制等。
（2）光电倍增管：光信号→电信号，用于弱光电信号的放大，可将光电流放大数百万倍。
三、光的波粒二象性
在有些情况下，光突出显示出波动性（干涉、衍射现象）；而在另一些情况下，则突出显示出粒子性（光电效应）——光有二象性，并有如下关系：
1、能量
νε⋅=h 2、质量
22c h c m νε== 3、静质量
00=m 4、动量
λνεh c h p c m c p ==⇒+=420222。