14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
光电效应的爱因斯坦解释
光电效应的爱因斯坦解释
光电效应是指当光子碰撞到金属表面时，可以将金属中的电子释放出来，形成电子流。
这个现象在19世纪末被人们所发现，但其解释一直不够清晰。
直到爱因斯坦在1905年提出了著名的光量子假说，才成功地解释了光电效应。
爱因斯坦的光量子假说认为，光是由一些离散的粒子组成的，这些粒子被称为光子。
每个光子都有一定的能量，当光子碰撞到金属表面时，它会将这个能量转移给金属中的电子。
如果这个能量足够大，那么电子就能够克服金属的束缚力，从而被释放出来。
这就是光电效应的原理。
爱因斯坦的光量子假说在当时引起了很大的争议，但后来通过实验的验证，得到了普遍的认可。
这个理论不仅解释了光电效应，也为人们理解其他光学现象提供了重要的思路。
如今，光电效应已经被广泛应用于许多领域，包括太阳能电池、X射线和电子显微镜等。
这些应用的发展也使得人们对光子和光电效应的理解更加深入和全面。
- 1 -。
大学物理课件—光电效应
思考
若测出某种金属的 Ua 曲线的
斜率Ｋ和横轴上的截距 0 ，则可得h= Ｋe ,
逸出功Ａ＝ Ｋe 0 ．
h
1 2
mvm 2
A
1 2
mvm 2
eK (
0 )
h Ke
A Ke 0
0
A h
Ua
h
e
A e
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说 Suling CHANG
例 某金属表面被蓝光照射时有光电子 逸出，若增加蓝光的强度，则
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说
一 光电效应实验的规律
Suling CHANG
光照射至金属表面, 电子从金 属表面逸出, 称其为光电子.
实验规律
截止频率（红限） 0 仅当 0才发生光电效应，
截止频率与材料有关与光强无关 .
A V
几种纯 金属 铯 钠 锌 铱 Hz 4.545 5.50 8.065 11.53 19.29
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说
三 光子 爱因斯坦方程
Suling CHANG
“光量子”假设: 光子的能量为 h
爱因斯坦方程
h 1 mv2 A
2
逸出功与材料有关
几种金属的逸出功
金属 钠 铝 锌 铜 银 铂
W / eV 2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说 Suling CHANG
I2 I1
I2 I1
U
15. 2 光电效应 爱因斯坦光子假说 Suling CHANG
二 经典理论遇到的困难
红限问题 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.
光电效应 爱因斯坦的光量子论
二、爱因斯坦光量子假设
爱因斯坦对光电效应的解释
金属中的电子吸收一个光子能量h以后，一部分
用于电子从金属表面逸出所需的逸出功A，一部分转
化为光电子的动能，即 Kmax h。v A
光电效应物理图像
二、光爱子因和斯电坦子光量碰子撞假过设程
h
1 2
mvm2
h
A
1 2
mvm2
eK
eUc
1. 只有当入射光频率v大于一定的频率v0时， 才会产生光电子。 A 称为逸0 出A/功h 。红限频
一、光电效应的实验规律
经典理论解释的困难：
经典电磁理论认为光强越大，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。
只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无
论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。
Cs
金属种类有关的恒量。
1.0
Na Ca
1 2
mvm2
eK
eU0
0.0 4.0 6.0 8.0 10.0 (1014Hz) 红限频率不同，斜率不变
一、光电效应的实验规律
4）弛豫时间——当频率超过截止频率的入射光照射到阴极上，无 论光多弱，几乎照射的同时就产生光电流，弛豫时间不超过10-9s。
实验结果总结：
1 2
mvm2
eK
eU0
1.只有当入射光频率 v大于一定的频率v0 时，才会产生光 电子。当光频率低于这个值，不论多强的光都不会有光
电子产生；
2.光电子的最大初动能与照射光的频率有关，与光强无关， 照射光频率越高，出射电子能量越大，光强只影响发射
光电效应2(爱因斯坦的光电效应理论)
4.2光电效应2（爱因斯坦的光电效应理论）讲授新课 一、爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：1.光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为h ν。
这些能量子后来被称为光子。
νh E =2.爱因斯坦的光电效应方程一个电子吸收一个光子的能量h ν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后电子的初动能E k ，即：νW E h k +=或-νW h E k =221c e k v m E =——光电子最大初动能W 0 ——金属的逸出功 3.光子说对光电效应的解释①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek 与入射光的频率成线性关系，与光强无关。
只有当h ν>W 0时，才有光电子逸出，h W c 0ν=就是光电效应的截止频率。
②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。
③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。
思考与讨论：爱因斯坦光电效应方程给出了光明确光子的概念，并知道其能量的大小。
分析光电子的能量和逸出功之间的关系，总结出光电效应方程。
理解光子说对光电效应现象的解释。
结合能量守恒定律分析光电效应方程，培养学生应用能量守恒定律解决问题的科学思维方式。
电子的最大初动能E 与入射光的频率v 的关系。
但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压U 。
那么，怎样得到截止电压U 。
与光的频率v 和逸出功W 0的关系呢?利用光电子的初动能E = eU C 。
和爱因斯坦光电效应方程Ek= hv- W 0,可以消去E,从而得到Uc 与v 、W 0 的关系，即eW v e h U C 0-=对于确定的金属，其逸出功W 0是确定的，电子电荷e 和普朗克常量h 都是常量。
上式中的截止电压U c 与光的频率v 之间是线性关系，Uc-v 图像是一条斜率为h/e 的直线爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。
爱因斯坦的光量子假说及其对光电效应实验规律的解释
爱因斯坦的光量子假说及其对光电效应实验规律的解释
爱因斯坦光量子假说的主要内容是，光不仅在发射或吸收时具有粒子性，光在真空中传播也具有粒子性。
光可以看作是一粒一粒以光速运动的粒子流，这些光粒子称为光量子，简称光子。
每一光子的能量是hv =ε，式中ε为光子的能量，h 为普朗克常数，v 为光的频率。
按照光子假说，当光子照射到金属表面时，一次被金属中的电子全部吸收，而无须积累时间。
电子把光子能量的一部分转变成它逸出金属表面所需的功0w ，另一部分转化为光电子的动能，用公式表示022
1w mv hv +=，此即爱因斯坦方程。
用此方程就能够直接解释光电效应的三个实验性质。
①由爱因斯坦方程可以直接看出，光电子的动能只与入射光的频率有关，同入射光的强度无光；②由于每一种金属都存在一个逸出功，如果光子的能量小于逸出功，由爱因斯坦方程可知，则不能发生光电效应。
这就说明每一种金属表面都存在特征截止频率0v ，当入射光的频率小于0v 时，不管光的强度有多大，都不能发生光电效应。
③光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，因此，只要入射光的频率大于截止频率0v ，则无论它多么微弱，都会立即引起光电子发射，不存在滞后时间。
光电效应和光子概念提出历程
光电效应和光子概念提出历程光电效应和光子概念是现代物理学的两个重要概念，它们的提出和研究对于理解光的本质以及量子力学的发展有着深远的影响。
本文将详细介绍光电效应和光子概念的提出历程，并探讨其在物理学领域的重要性。
光电效应是指当光照射到金属或其他材料的表面时，会引起电子的发射现象。
这一现象在19世纪末至20世纪初被广泛研究，并最终为爱因斯坦所解释。
1905年，爱因斯坦在其著名的光电效应论文中提出了光子概念。
他认为光的能量是以粒子的形式传播的，被称为光子。
光子的能量与其频率成正比，而与光的强度无关。
此观点颠覆了当时关于光的波动理论，引起了学术界的广泛争议。
爱因斯坦的光电效应论文为光子概念的确立提供了坚实的基础，但他并非最早提出这一观点的人。
实际上，20世纪初，许多物理学家已经开始研究光电效应，并提出了一些相关的理论。
其中最早的是德国物理学家海因里希·亨利克·赫兹，他在1887年的实验证实了电磁波的存在，并假设光也是一种电磁波。
随后，根据弗朗茨-奥古斯特-霍尔策、威廉·霍里及A·L·伦纳德等人的研究，提出了“光子假设”，并通过对光电效应的实验研究，发现光子具有粒子特性，传播与电磁波是不同的。
他们的实验结果进一步验证了爱因斯坦关于光子能量与频率的假设。
光电效应和光子概念的提出引起了整个物理学界的极大关注和争议。
一方面，波动理论的支持者认为光的传播是一种波动过程，而不是粒子过程。
他们认为爱因斯坦的光子概念对于描述光的本质是不必要的。
另一方面，粒子理论的支持者认为，光的频率和强度对于光电效应的解释是至关重要的，只有将光视为由光子组成的粒子，才能完全解释光电效应现象。
经过长时间的争论和实验验证，最终光子概念在物理学界得到了广泛认可。
爱因斯坦的光子假说则被视为经典量子理论的基石之一。
光子概念的成功应用不仅仅局限于光电效应的解释，还广泛应用于其他领域，如放射性衰变、光谱学以及激光等。
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。
光电效应：爱因斯坦的光子假设
光电效应：爱因斯坦的光子假设
三、爱因斯坦的光子假设
光子：光是一粒一粒以光速运动着的粒子流， 这些粒子称为光量子，简称光子。
光子的能量 h
爱因斯坦方程 h 1 mv2 A
2
几种金属的逸出功
逸出功与 材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有关
金属
A/ eV
钠 铝锌铜银铂 2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35
光电倍增管
光电效应：爱因斯坦的光子假设
思考
关于光电效应有下列说法其中正确的是（ ）
1 任何波长的可见光照射到任何金属表面都能产
生光电效应;
2 对同一金属如有光电子产生,则入射光的频率不 同, 光电子的最大初动能也不同;
3 对同一金属由于入射光的波长不同, 单位时间 内产生的光电子的数目不同;
4 对同一金属,若入射光频率不变而强度大, 则饱 和光电流也增大.
光电效应：爱因斯坦的光子假设
解释实验 爱因斯坦方程
h
1
mv2
A
2
1.截止频率 逸出功 A h0
产生光电效应条件条件
0
A h
2.饱和电流与入射光强度成正比
光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电
子数目越多，光电流越大.（ 0 时）
光电效应：爱因斯坦的光子假设
3.遏止电势差与入射光的频率成正比。
h 1 mv2 A
2
A h0
U0
1 2
mv2
h
h 0
Ekmax eU0
U0
h e
(
0 )
0
4.光电子的逸出几乎是瞬时
光子射至金属表面，一个光子携带的能量 h 将一 次性被一个电子吸收，若 0 ，电子立
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2）光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与入 射光的强度无关。
1 2 mv m e U a 2
即：
U = 0 I≠0，从K逸出的光电子具有初动能; U = -Ua时 I = 0—遏止电压（Cutoff Voltage）
Ua
G
A
U
K
0
U0
4
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
光子
E0 0 , E pc
E h h p c c
描述光的 粒子性
E h h p
描述光的 波动性
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
18
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
2
实验装置 单色光通过石英窗照射金属板，阴极上有光
电子产生。 如将K接正极、A接负极，
则光电子离开K后，将受到电
场的阻碍作用。当K、A之间 的反向电势差等于U0时，从K 逸出的动能最大的电子刚好 不能到达A，电路中没有电流，
G
A
U
K
U0叫遏止电压。
Ek max eU0
2
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等. 光控继电器示意图 光
放大器
ห้องสมุดไป่ตู้
接控制机构
光电倍增管
13
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
光信号→电信号 可制成光电管和固态光电探测器； 光电倍增管，用来探测弱光； 光控继电器，自动控制，自动计数和工业检测等； 光电导摄像管，用在电影、电视等行业； 光敏电阻（Photo Resistance），以来进行测量。 可见光：ZnS（硫化锌），CdS（硫化镉），CdSe（硒化镉） 近红外：Si，Ge，PbS，InPb 光电子谱（Photoelectron Spectrum） 分析光电效应所产生的光电子的能量分布，已成为一种有效的表面分析手 段，例如 XPS ——X射线光电子谱 UPS ——紫外线电子谱
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
3
普朗克常数的测定
1 2 h mv W 2
遏止电势差和入射 光频率的关系
U0
h eU 0 W
h W U0 e e
U 0 h e
O
0
U 0 h e
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
2 爱因斯坦光电效应方程
1 2 h mv W 2
逸出功与 材料有关
8
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
几种金属逸出功的近似值(eV) 钠 铝 锌 4.31 铜 4.70 银 铂
2.46 4.08 理论解释:
4.73 6.35
光强越大，光子数越多，单位时间内 产生光电子数目越多,光电流越大. ( 0 时）
Im 2
3
1
U0 0 U
6
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
4
经典理论的困难
1）经典认为光强越大，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）只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率
低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有
19
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大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
四 光的波粒二象性 （1）波动性：光的干涉和衍射 （2）粒子性： E h （光电效应等） 相对论能量和动量关系 E p c E
2 2 2 2 0
光子
E0 0 , E pc
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
3）存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频 率大于某一频率ν 0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才 有光电流，这个频率ν 0叫做截止频率——红限. 线性性：用不同频率的光照射金属K的表面时，当入射光的 频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。
Ua
Ua=K ν -U0
|US|
3
实验规律
改变电压U，光电流也改变，最后趋于饱和，称为饱
1）饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。 和电流Im；改变入射光强度，饱和电流Im也随之改变，从 实验可知饱和电流Im与入射光强度成正比，或逸出电子数 与强度正比。 I
G
A
U
K
Im
2 1 U0 0
3
U
3
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
2.0
Na
Ca
0
U0
红限频率
1.0
01 O
6.0 8.0 10.0 104 Hz
5
02
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
4）瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率
大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立 即就有光电流逸出（延迟时间越为10-9s）
I G
A
U
K
无光电效应不应与频率有关。 3）瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要 时间，即需能量的积累过程。
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
二
光子 爱因斯坦方程
1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论， 认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子
1 光量子假设
流叫做光量子，简称光子。在真空中，光子以光速c运 动。一个频率为ν的光子具有能量ε=hν。
复
• 黑体 黑体辐射
习
• 黑体辐射 普朗克能量子假说
• 斯忒藩玻耳兹曼定律 维恩位移定律 • 黑体辐射的瑞利—金斯公式 经典物理的困难 • 普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 • 黑体辐射的应用
• 光电效应 光的波粒二象性
• 光电效应的实验规律 • 光电效应的应用 · 光子 爱因斯坦方程 · 光的波粒二象性
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
一
1
光电效应实验的规律
基本概念 当光照射到金属表面时，
金属中有电子逸出的现象叫
光电效应，所逸出的电子叫
光电子，由光电子形成的电 流叫光电流，使电子逸出某 种金属表面所需的功称为该 种金属的逸出功。
G
A
U
K
1
大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
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大学物理 第一版
14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
频率限制: 只有
0 时才会发生
W h 0
Ua
1 2 h mv W 2
0
V A
红限频率
U0
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14.2 光电效应与爱因斯坦光子假设
瞬时性：光子射至金属表面， 一个 光子的能量 h 将一次性被一个电子吸收， 若 0 ，电子立即逸出，无需时间积累. 爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光 电效应现象.