1、4-1光電效應(yīng) 愛因斯坦方程,一、光電效應(yīng),光電效應(yīng)：可見光或紫外光射到某些金屬表面上時，有電子從表面逸出的現(xiàn)象。,實驗裝置,光電流: 這些光電子在電場的作用下飛向陽極,二、光電效應(yīng)實驗規(guī)律,1、單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)度成正比,經(jīng)典物理的解釋是：電子從金屬中逸出要克服阻力作功。光強(qiáng)越大，光振輻E0越大，受強(qiáng)迫的電子振動動能越大，能克服阻力逸出金屬表面的電子越多。故與光強(qiáng)成正比,2、光電子的最大初動能隨入射光的頻率增大而線性增大，與入射光的強(qiáng)度無關(guān),1）實驗表明：當(dāng)U=0時，乃至U0時，即電場阻止電子飛向 陽極，但仍有電子飛向陽極，說明光電子有初動能。當(dāng)反向電壓增至一定值U

2、a時，光電流,Ua稱為遏止電壓,這說明初動能最大的電子也不能到達(dá)陽極，即 電子的最大初動能：,對同頻率的不同入射光強(qiáng)，遏止電壓是相同的，光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān),2）實驗還證明，遏止電 壓Ua隨入射光頻率的增大 而線性增大。,從圖示可看出：不同材料的圖線的斜率相同，相互間僅為平移。k與金屬材料種類無關(guān)，U0與金屬材料種類有關(guān),按光的波動說，金屬在光的照射下，金屬中的電子受到入射光振動的作用而作受迫振動，這樣將從入射光中吸收能量，從而逸出表面，逸出時初動能應(yīng)決定于光振動振幅，即取決于光強(qiáng)，光強(qiáng)越大，光電子初動能就越大，所以光電子初動能應(yīng)與光強(qiáng)成正比。但是，實驗結(jié)果表明，光電子初動能只

3、與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。,3、頻率大于紅限頻率才會產(chǎn)生光電效應(yīng),令,紅限頻率,入射光頻率要大于U0 / k，即大于紅限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng),紅限波長,每種金屬都有各自對應(yīng)的紅限頻率。,紅限頻率對應(yīng)于光電子初動能為零時的入射光頻率。小于紅限頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電流。,注意：,經(jīng)典物理理解釋不了此規(guī)律,按經(jīng)典波動光學(xué)理論，無論何種頻率的光照射在金屬上，只要入射光足夠強(qiáng)，使電子獲得足夠的能量，電子就能從金屬表面逸出來。這就是說，光電效應(yīng)發(fā)生與光的頻率無關(guān)，只要光強(qiáng)足夠大，則就能發(fā)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在紅限頻率。 但是，實驗表明，只有在入射光的頻率大于紅限頻率時，才能發(fā)生光電效應(yīng)。,這一點(diǎn)也是

4、經(jīng)典物理不能解釋的。,按經(jīng)典物理，電子從光波場中吸取能量要有一定的時間積累，光強(qiáng)愈小，積累的時間越長。對鉀金屬而言，用相距3m遠(yuǎn)的一瓦的光源，經(jīng)計算，要 76分鐘才有光電子逸出,4、光照后，光電子可立即從金屬中逸出,三、光子假設(shè)、愛因斯坦光電效應(yīng)方程,1、光子假說（光具有粒子性 ）,光是一束以C運(yùn)動著的粒子流，每一個光子 所帶能量=h，不同的頻率的光子具有不同 的能量。,3）光的能流密度：,：單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向單位面積的光子數(shù)。,1）光是運(yùn)動著的粒子流光子,2）每個光子的能量為,2、光子假設(shè)對光電效應(yīng)實驗的解釋,依假設(shè)：一能流密度為S的光量子（光子）組成的單色光，單位時間通過垂直于光

5、傳播方向的單位面積的光子數(shù)為n，則：,1）解釋光電子數(shù)與光強(qiáng)成正比,顯然，光強(qiáng)越大（S大），單位時間入射到金屬表面的光子數(shù)n越大，獲得光子的電子數(shù)也越多即光電子數(shù)與光強(qiáng)成正比。,2）解釋光電子的初動能與入射頻率有關(guān)，而與入 射光光強(qiáng)無關(guān),當(dāng)光照射到金屬內(nèi)部的電子，它一次吸收了一個能量為h的光子，在上升到表面時將失去一部分能量W，依能量守恒定律：,若電子剛好在金屬表面，則W有極小值W，電子 可獲得最大動能,愛因斯坦光 電效應(yīng)方程,h,W,W：逸出功，即電子逸出物體表面所需的最小能量,金屬中的電子吸收一個光子的能量光電子的初動能逸出功,愛因斯坦光電效應(yīng)方程,與前面的實驗規(guī)律比較,紅限頻率,3）解釋

6、光電效應(yīng)的瞬時性,電子一吸收一個光子，勿需 能量的積累過程。,愛因斯坦理論圓滿地解釋了 光電效應(yīng)。1921年因此獲諾貝 爾獎,1916年密立根（Milikan）對 光電效應(yīng)進(jìn)行了精密測量也 由此獲諾貝爾獎（另一原因 是他用油滴法精確地測定了 電子電量）,h,W,3、光子的能量、動量、質(zhì)量（粒子性特征）,能量：,質(zhì)量：,動量：,四、對光的波粒二象性的理解 1、同時具有，都是光的本性； 2、 不同時顯現(xiàn)；,五 光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,應(yīng)用：制成光電管，光電管可用于光控繼電器、自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。,光電倍增管,例1.求 的可見光光子和 的X射線光子的能量、動量和質(zhì)量？,例2、用波長為

7、 的光照射銫感光層，求銫放出的光電子的速度。,解 （1）,（3）,4-2康普頓效應(yīng),引言：愛因斯坦斷言：光是由光子組成，但真正證 明光是由光子組成的還是康普頓實驗。,Compton實驗是X射線散射的實驗，按經(jīng)典理論是X射線的電場迫使散射物中的電子作強(qiáng)迫振蕩，而向周圍輻射同頻率的電磁波的過程。,美國物理學(xué)家康普頓（A.Compton18921962）起初也不相信“光量子” ，但密立根的實驗對他有觸動，特別是在愛因斯坦提出了“光子動量”的概念后，他決定對光子的動量進(jìn)行檢驗。他利用鉬提供的單色X射線照射石墨，讓散射輻射通過兩塊鉛板準(zhǔn)直縫后射到布拉格晶體上，最后讓衍射線進(jìn)入威爾遜云室來測量波長和強(qiáng)度。

8、,Compton實驗否定了這一說法。,一、康普頓實驗,早在1904年伊夫（AS . Eve)發(fā)現(xiàn)射線被 物質(zhì)散射后波長變長的現(xiàn)象,康普頓相繼 研究了射線及X射線的散射,他先確定了 伊夫的發(fā)現(xiàn)。又用自制的X射線分光計, 測定了X射線經(jīng)石墨沿不同方向的散射的 定量關(guān)系,1923年發(fā)表論文作出了解釋.,1、散射現(xiàn)象：光通過不均勻物質(zhì)時，向各個方向發(fā)散的現(xiàn)象 實驗發(fā)現(xiàn)：X射線金屬或石墨時，也有散射現(xiàn)象,2、實驗裝置,3、實驗結(jié)果:,散射線中有與入射線相同的散射線存在，也有波長0的散射線存在（Compton散射）。,原子量較小的物質(zhì)散射較強(qiáng)。原子量大的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)較弱 。,散射線波長的增量 與散射角

9、 有關(guān)（ 增加， 增加, 一定， 一定，與散射物質(zhì)無關(guān)）,19251926年，中國物理學(xué)家吳有訓(xùn)用其它物質(zhì)代替石墨進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn),二、康普頓散射的解釋,康普頓散射是光與物質(zhì)的相互作用，先要搞清：,在什么條件下發(fā)生的相互作用？,相互作用的形式是什么？,在獅子面前兔子沒有被束縛！,好有一比！,竹 籠,1、Compton散射是光和自由電子的相互作用,因X射線的頻率高，能量在104eV數(shù)量級，而 石墨中的電子所受的束縛能量僅有幾個電子 伏特。相當(dāng)于是沒受束縛的自由電子。,2、自由電子不會吸收光子，而只能以碰撞的形式 進(jìn)行相互作用。,康普頓的分析：,過程滿足能量守恒及動量守恒,碰 撞 前,碰 撞 后,電子,光子,反沖電子,光子,能量,動量,0,3、Compton實驗的意義,1）證實了光子理論的正確性 ，說明了光子具有 質(zhì)量、 能量、動量-光具有粒子 性。,2）在微觀領(lǐng)域內(nèi)，同樣嚴(yán)格遵守動量守恒和能 量守