第二節(jié)光電效應 光的干涉 衍射現象說明了光是電磁波 光的偏振現象進一步說明光還是橫波 19世紀60年代 麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質 然而 出人意料的是 正當人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候 又發(fā)現了用波動說無法解釋的新現象 光電效應現象 對這一現象及其他相關問題的研究 使得人們對光的又一本質性認識得到了發(fā)展 用弧光燈照射擦得很亮的鋅板 注意用導線與不帶電的驗電器相連 使驗電器張角增大到約為30度時 再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板 則驗電器的指針張角會變大 一 光電效應現象 表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電 1 什么是光電效應 當光線照射在金屬表面時 能使金屬中的電子從表面逸出的現象 稱為光電效應 逸出的電子稱為光電子 光電子定向移動形成的電流叫光電流 2 光電效應的實驗規(guī)律 1 存在飽和電流 光照不變 增大UAK G表中電流達到某一值后不再增大 即達到飽和值 因為光照條件一定時 K發(fā)射的電子數目一定 實驗表明 入射光越強 飽和電流越大 單位時間內發(fā)射的光電子數越多 電壓一定時 電流也越大 思考 為什么要加正向電壓 不加正向電壓電路中有電流嗎 分析解答 光束照在陰極K上會發(fā)生光電效應現象 但只有極少的電子能到達陽極A 電路中電流很小 加了正向電壓后 大量的電子在電場力的作用下向陽極運動 形成較大電流 加正向電壓的目的是放大實驗效果 增強實驗 可見性 思考 保持光照條件不變 逐漸加大兩極之間的電壓 大家分析光電流會怎樣變化 使光電流減小到零的反向電壓 一一一一一一 v 加反向電壓 如右圖所示 光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反 光電子作減速運動 若 最大的初動能 U 0時 I 0 因為電子有初速度 則I 0 式中UC為遏止電壓 2 存在遏止電壓和截止頻率 存在遏止電壓UC U K A 實驗表明 對于一定顏色 頻率 的光 無論光的強弱如何 遏止電壓是一樣的 光的頻率 改變時 遏止電壓也會改變 光電子的能量只與入射光的頻率有關 與入射光的強弱無關 同種材料 思考 對剛才的實驗 加了遏止電壓后 如果再增大入射光的強度 電路中會有光電流嗎 減弱光的強度 遏止電壓會減小嗎 經研究后發(fā)現 當入射光的頻率減小到某一數值時 即使不施加反向電壓也沒有光電流 這表明已經沒有光電子了 這一數值稱為截止頻率或極限頻率 存在截止頻率 c 對于每種金屬 都相應確定的截止頻率 c 當入射光頻率 c時 電子才能逸出金屬表面 當入射光頻率 c時 無論光強多大也無電子逸出金屬表面 實驗結果 即使入射光的強度非常微弱 只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率 電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉 更精確的研究推知 光電子發(fā)射所經過的時間不超過10 9秒 這個現象一般稱作 光電子的瞬時發(fā)射 光電效應在極短的時間內完成 3 具有瞬時性 電子是怎樣吸收入射光的能量的呢 思考 如果入射光的頻率超過截至頻率 做兩次實驗 第一次用很弱的光照射 第二次用很強的光照射 都能立刻有電流產生嗎 光電效應實驗表明 1 只要頻率高于截止頻率 即使光強很弱也有光電流 頻率低于截止頻率 無論光強再大也沒有光電流2 光強決定光電流的大小 3 光電子的最大初動能與入射光頻率呈線性關系 與光強無關 4 光電效應具有瞬時性 而經典認為光能量分布在波面上吸收能量要時間 即需要能量積累的過程 1 光子 光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的 頻率為 的光的能量子為h 這些能量子后來被稱為光子 愛因斯坦的光子說 愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā) 他提出 三 愛因斯坦的光電效應方程 2 愛因斯坦的光電效應方程 光電子最大初動能 金屬的逸出功 W0 一個電子吸收一個光子的能量h 后 一部分能量用來克服金屬的逸出功W0 剩下的表現為逸出后電子的初動能Ek 即 3 光子說對光電效應的解釋 愛因斯坦方程表明 光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關系 與光強無關 只有當h W0時 才有光電子逸出 就是光電效應的截止頻率 電子一次性吸收光子的全部能量 不需要積累能量的時間 光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的 對于同種顏色 頻率相同 的光 光較強時 包含的光子數較多 照射金屬時產生的光電子多 因而飽和電流大 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規(guī)律 榮獲1921年諾貝爾物理學獎 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應 但當時并未被物理學家們廣泛承認 因為它完全違背了光的波動理論 4 光電效應理論的驗證 美國物理學家密立根 花了十年時間做了 光電效應 實驗 結果在1915年證實了愛因斯坦方程 h的值與理論值完全一致 又一次證明了 光量子 理論的正確 愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎 密立根由于研究基本電荷和光電效應 特別是通過著名的油滴實驗 證明電荷有最小單位 獲得1923年諾貝爾物理學獎 光的粒子性 一 光電效應的基本規(guī)律 小結 1 光電效應現象 2 光電效應實驗規(guī)律 對于任何一種金屬 都有一個極限頻率 入射光的頻率必須大于這個極限頻率 才能發(fā)生光電效應 低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應 當入射光的頻率大于極限頻率時 光電流的強度與入射光的強度成正比 光電子的最大初動能與入射光的強度無關 只隨著入射光的頻率增大而增大 入射光照到金屬上時 光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的 一般不超過10 9秒 1 在演示光電效應的實驗中 原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連 用弧光燈照射鋅板時 驗電器的指針就張開一個角度 如圖所示 這時 A 鋅板帶正電 指針帶負電B 鋅板帶正電