光电效应爱因斯坦的光量子1论.ppt

16-2 光电效应 爱因斯坦的光量子论,P200,一下3，4行,早在1887年,德国物理学家赫兹第一个观察到用紫光照射的尖端放电特别容易发生，由于当时还没有电子的概念,所以对其机制不是很清楚.直到1897年汤姆逊发现了电子.人们才注意到一定频率的光照射在金属表面上时,有大量电子从表面逸出，这种现象称为光电效应.产生的电子称为光电子。由光电子形成的电流叫光电流。,一、光电效应的实验规律,1.光电效应,16-2 光电效应 爱因斯坦的光量子论,P200,一下3，4行,当光照射在金属表面上时,电子从金属表面逸出的现象，称为光电效应.逸出的电子称为光电子。由光电子形成的电流叫光电流。,一、光电效应的实验规律,1.光电效应,1887年,赫兹用莱顿瓶做放电实验时注意到,有紫外线照在火花隙的负极上,放电就比较容易发生。 直到1897年汤姆逊发现电子之后,勒纳德证明了光电效应中发出的是电子.,2.实验装置,P200,图16-4,光通过石英窗口照射到阴极K，光电子从阴极表面逸出.,光电子在电场加速下向阳极A运动，形成光电流 。,S为光电管;,演示实验,1)饱和光电流强度Is与入射光强成正比，与频率无关。,P200, ,3.实验规律,a)、S一定，改变U,b)一定、改变S，饱和光电流 IsS,(S3 S2 S1 ),当光电流达到饱和时，阴极 K上逸出的光电子全部飞到了阳极A上,P201, 图16-5（a),P201,16.12式,设n为阴极K单位时间内释放出的电子数，则 Is= n e ,与光频率无关。,结论1：单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光强成正比。,P201,16.12式下第2行,例1 ZP28,2,(考点5）,即 n S,例2 （考点14）,2)光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关。由图知:两极间电压U=0时，光电流并不为零,说明从阴极出来电子具有一定初动能;当两极间加一反向电压U =-U0 0时，光电流才为零，U0 称为截止电压（遏止电压）。,3 2 1,P201, 为与金属材料性质无关的普适常量,实验表明：,为与金属材料性质有关的常量,P201,16.15式,S一定,改变，U0。,2)光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关。,P201,当电压U=0时,光电流并不为零；,表明：从阴极逸出的光电子具有初动能。,U0 截止电压（遏止电压）。,只有当两极间加一反向电压U =-U00时,光电流才为零。,设vm为光电子的最大初速度，则最大初动能,显然，光电子的最大初动能与入射光强无关。,P201,16.13式,截止电压U0 和入射光的频率成线性关系,与入射光强无关。,截止电压与频率的关系,为与金属材料性质无关的普适常量。,为与金属材料性质有关的常量,P201,16.14式上一行,3 2 1,S一定,改变，U0。,P201,16.15式,P201,图16.5（b）,结论2：光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，与入射光强无关。,解释教材P201图16.5（b)实验：说明截止电压U0 和入射光的频率之成线性关系,与入射光强无关。,3) 对一种给定的材料，存在一个截止频率 0 ，低于此截止频率时，不管入射光的强度有多大，均不会产生光电效应。,称为此种材料的截止频率或红限。,结论3: 金属的光电效应有一截止频率(红限)与入射光强无关.,因,P201, ,P202,第5行,讨论：将材料的截止频率或红限,当 = 0 时，光电子的最大初动能为零。,若 0 时，则无论光强多大都没有光 电子产生，不发生光电效应。,代入,0 称截止频率 或红限频率。,或见P202 表16-1,红限波长,4）光电效应是瞬时发生的,实验表明：从光开始照射到金属释放电子，只要 无论光强如何，几乎光电子逸出与光照同时，据现代的测量，这时间不超过10-9s。,二、经典物理学的困难,P202,按照光的经典电磁理论：,光波的能量与频率无关，电子吸收的能量 也与频率无关，更不存在截止频率！,光波的能量分布在波面上，电子积累能量 需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！,4）光电效应是瞬时发生的,实验表明：从光开始照射到金属释放电子，只要 无论光强如何，几乎光电子逸出与光照同时，据现代的测量，这时间不超过10-9s。（演示GD下页),二、经典物理学的困难光电效应实验规律与光的波动理论相矛盾,1）按照光的波动理论，光的能量由光强决定（E光强S），金属中电子从入射光中吸收能量，所以逸出光电子动能应有光强决定。但实验结果表明，光电子初动能只与光的频率有关，而与光强无关。显然这与第二条实验规律相矛盾。,P202,2)按经典波动光学理论，无论何种频率的光照射在金属上，只要入射光足够强，使电子获得足够的能量，电子就能从金属表面逸出来。这就是说，光电效应对各种频率的光都能发生，不该存在红限。但实验表明，只有在 时，才能发生光电效应。显然这与第三条规律相矛盾。,3)按照经典理论，光电子逸出金属表面所需要的能量是直接吸收照射到金属表面上光的能量。当入射光的强度很弱时，电子需要有一定时间来积累能量，因此，光射到金属表面后，应隔一段时间才有光电子从金属表面逸出来。但是，实验结果表明，发生光电效应是瞬时的，显然，这与第四条规律相矛盾。,可见，光的波动理论无法解释光电效应的实验规律。为了克服光的波动理论所遇到的困难，从理论上解释光电效应，爱因斯坦发展了普朗克能量子假设，于1905年提出了关于光的本性的光量子假说。,1.内容 1905年,爱因斯坦（Einstein）发展了普朗克（Planck）的量子说，指出：光不仅在发射或吸收过程中具有粒子性，而且在空间传播时，也具有粒子性，即1)一束光是一粒一粒以光速c运动的粒子流.这些光粒子称为光量子(简称光子）。每一个粒子携带的能量为 E = h ;2)光子具有“整体性”,一个光子只能“整个地”被电子吸收或放出。,三、爱因斯坦的光量子论,说明：,1）光子不但有能量，而且也有质量和动量。,光子的能量,P203,三下第2段,3)光的能量：组成光波的所有光子的能量和。 光的强度S （能流密度）：单位时间内通过垂直传播方向上单位面积的光能。,光子的质量,光子的动量,练考点11,2）通常把 称为普朗克爱因斯坦关系式,即ZP30,16,ZP31,19,设单位时间内通过单位面积的光子数n，频率为 的单色光，光强为,普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子的发射或吸收上,并未涉及辐射在空间的传播.1905年,爱因斯坦（Einstein）发展了普朗克（Planck）的量子说,指出:光不仅在发射或吸收过程中具有粒子性,而且在空间传播时,也具有粒子性.,三、爱因斯坦的光子理论,1)光是由光子组成的光子流，光的能量集中于一颗颗的光子上。 2)光子的能量和其频率成正比,1.爱因斯坦光子假说,P203,三下第2段,3)光子具有“整体性”。一个光子只能“整个地”被电子吸收或放出。,说明：,1）光子不但有能量，而且也有质量和动量。,光子的能量,光子的质量,光子的动量,2）普朗克爱因斯坦关系式,考点11,3）光的强度,n单位时间内通过单位面积的光子数,P203，16.7式及16.8式,2.对光电效应的解释,1)光照射到金属表面时，一个光子的能量可以立即被金属中的自由电子吸收。,2)只有当入射光的频率足够高，以致每个光子的能量h足够大时，电子才有可能克服逸出功(电子逸出金属表面时克服阻力而做的功)逸出金属表面。,按光子理论：电子吸收整个光子，获得h 的能量 ，一部分消耗在电子逸出金属表面需要的逸出功（电子逸出金属表面时克服阻力而做的功）上，另一部分转换成逸出电子的初动能，按能量守恒有,P203,16.18式下第2行起,3)逸出的电子的最大初动能为,4)当 /h时，电子的能量不足以克服逸出功而发生光电效应。存在红限频率.,红限频率,光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！,爱因斯坦的光电效应方程,P203,16.19式,0 红限波长,2.爱因斯坦光电效应方程,按照光子假设，光电效应可解释如下：当频率为 的光照射金属时，金属中的自由电子从入射光中吸收整个光子，获得h 的能量 ，一部分消耗在电子逸出金属表面需要的逸出功（电子逸出金属表面时克服阻力而做的功）上，另一部分转换成逸出电子的初动能，按能量守恒有,或,P203,16.19式,爱因斯坦的光电效应方程,3用光子理论解释光电效应的实验规律,1）饱和光电流,2) 光电子初动能与入射光频率成正比,与光强无关,与光强无关,只有 时，才有 ，即才 能发生光电效应，否则不能。,3) 存在一个红限频率,因,金属的红限,0 红限波长,按光子假说，当光投射到物体表面时，光子的能量一次地被一个电子所吸收，不需要任何积累能量时间，即光电效应是瞬时产生的,这样光子理论成功地解释了光电效应规律。,爱因斯坦（Albert Einstein 1879-1955）由于成功解释光电效应于1921年获诺贝尔物理学奖。,4)光电效应是瞬时产生的,光电控制电路、自动报警、自动计数、光电倍增管、鼠标器等等。,4.光电效应在近代技术中的应用,利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性,可以制造光电转换器-实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器如光电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。,光电倍增管,原理：当加在发光元件上的信号达到某一定值时，光的作用使光敏器件的阻值发生急剧变化，从而起到闭合或开断电路的作用。,例1 在均匀磁场B内放置一及薄的金属片，它的红限波长 ，今用单色光照射，发现有电子放出，放出电子（质量为m,电量的绝对值为e)在垂直磁场的平面内做半径为R的圆周运动，求此照射光子的能量。,解,由爱因斯坦光电效应方程,由题意，得,动能,例2 已知一单色光照射在钠金属表面上，测得光电子的最大动能是1.2ev，而钠的红限波长为540nm，那么入射光的波长为多少？,解,由爱因斯坦光电效应方程,及 和 可得,例2 ZP28,3,练 ZP31,18(考点16),练 ZP31,17(考点4),练 (考点3),例3B 设从锌表面辐射出光电子的红限波长为330nm，试计算（1）锌的逸出功。（2）当入射光的波长为200nm时，从锌表面辐射出光电子的最大速度和动能。（电子质量 ),逸出功,最大动能,解,四、康普顿效应（散射）,19221923年间,康普顿对X射线通过石墨等物质后向各个方向散射的X射线成分进行研究时发现,X射线被散射后,除波长不变的散射光外,还有波长较长的散射光出现,这种改变波长的散射称为康普顿效应。,1. 实验装置,散射物质（石墨）,P204,四、下第2段，倒1-3行,P204,图16.6,由X射线源R发出的波长为的X射线，通过光阑D成为一束狭窄的X射线束，这束射线投射到散射物C上，用摄谱仪S可探测到不同方向的散射X射线的波长。,附1：实验装置,C,附2：实验装置,2.实验结果,(1)在散射的X光中，除有与入射光波长相同的成分外，还有波长较长的成分。波长差 随散射角 的增大而增加.,(2) 在同一散射角下，不同散射物质引起的波长差 都相同,与入射的x射线波长及散射物质无关.,（3） 对不同散射元素(在同一散射角下)，随原子序数Z的增加，,增大,减小,（4）对同一散射元素，随散射角的增大， 强度,减小,增大,1）在原子量小的物质中，康普顿散射较强；在原子量大的物质中，康普顿散射较弱。,2.实验结果,P204,倒第1段,对不同散射元素, 同一散射角下， 随原子序数Z,I,Io,2）波长的改变量 与散射角 有关，与入射X射线波长 及散射物质无关。,随散射角 ,随 ,I,Io,吴有训的康普顿效应散射实验曲线,康普顿,吴有训,19221923年间，康普顿（及中国科学家吴有训）研究了X射线通过物质时向各方向散射的现象。进一步证实了爱因斯坦的光子概念。,3. 用光子理论解释康普顿效应,1）光子与电子相碰撞，碰后光子将沿某一方向散射，同时光子将一部分能量传给电子，散射的光子能量就比入射光子的能量少；所以散射光频率比入射光频率小，因而散射光波长变长。,把X射线与散射物质作用，看成X射线中的一个光子与散射物质中的一个电子（自由电子或束缚较弱的原子外层电子）发生弹性碰，且把电子看作静止。碰撞过程中严格遵守能量、动量守恒定律。,2) 原子中内层电子一般被束缚得很紧密，内层电子与原子核可视为一个整体，称为原子实。若光子和原子实碰撞时，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞后光子虽改变方向，但光子能量几乎不变，所以散射光中也有原波长的光。,3)轻原子中的电子一般束缚较弱；重原子中的电子只有外层电子束缚比较弱，内层电子一般束缚较紧。所以原子量小的物质，康普顿散射较强；而原子量大的物质，康普顿散射较弱。,4）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。,4. 康普顿散射的定量分析,如图所示，一个光子和一个自由电子作完全弹性碰撞，由于自由电子速率远小于光速，所以可认为碰前电子静止。设光子频率为0 沿x正方向入射，碰后光子沿角方向散射出去，电子则获得了速度u，并沿与x正方向夹角为 角方向运动，由于光速很大，所以电子获得速度也很大，可以与光速比较，故此电子称为反冲电子。,碰撞前：光子能量为ho，动量为ho/c；电子的能量为moc2，动量为零。,碰撞后：光子散射角为，光子能量为h，动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它的能量为 ，动量为 。,由能量守恒:,由动量守恒:,（1）,（2）,X方向动量守恒,Y方向动量守恒,（3）,（4）,此式说明：波长改变与散射物质无关,仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。,电子的康普顿波长。,经化简、整理可得,散射角:入射X射线方向与散射X射线方向间的夹角。,P206,16.24式,3. 用光子理论解释康普顿效应,1)物理图象,假定：入射光由光子组成；光子和散射物中的 电子发生碰撞而被散射。,简化：因光子能量 电子的束缚能 电子看作是自由电子； 因光子能量 电子热运动能量 电子看作 碰前静止。,物理图象：一个入射X光子与一个原来静止的 自由电子弹性碰撞 满足能量、动量守恒。,2）定量分析,入射光子：能量h0 动量 p0 = h0/c,碰前电子： m0c2 pe=0,散射光子： h p = h /c,碰后电子： mc2 pe =mu,如图所示，一个光子和一个静止的自由电子作完全弹性碰撞。此电子称为反冲电子。,由能量守恒:,由动量守恒:,可得,P206,16.24式,散射角:入射X射线方向与散射X射线方向间的夹角。,此式说明：波长改变与散射物质无关,仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。,电子的康普顿波长。,练考点21,练考点21,4. 康普顿效应的意义,支持了光子理论；证明了X射线的粒子性及光子具有一定的运动质量、能量和动量；证实了普朗克爱因斯坦关系式定量上的正确性；而且还证明了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒律仍然是成立的。,康普顿（A.H.Compton 1892-1962 美国物理学家）由于发现康普顿效应于1927年获诺贝尔物理学奖,解（1）,例 波长 的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射方向成 角的方向上观察, 求:（1）散射波长的改变量 为多少？,（3）反冲电子的动能为多少？,光子与电子碰撞过程中能量守恒,例4 波长 的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射方向成 角的方向上观察, 求:（1）散射波长的改变量 为多少？,（2）散射后X射线的波长为多少？,反冲电子的动能,光子损失的能量反冲电子的动能,（4）在碰撞中，光子的能量损失了多少？,或根据能量守恒，反冲电子的动能入射光子的能量与散射光子的能量差，即,解（1）,例 波长 的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射方向成 角的方向上观察, 求:（1）散射波长的改变量 为多少？,（3）反冲电子的动能为多少？,例4 波长 的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射方向成 角的方向上观察, 求:（1）散射波长的改变量 为多少？,（2）散射后X射线的波长为多少？,光子损失的能量反冲电子的动能,（4）在碰撞中，光子的能量损失了多少？,根据能量守恒，反冲电子的动能入射光子的能量与散射光子的能量差，即,五、光的波粒二象性,1. 近代关于光的本性的认识,光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。,波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象。,粒子性：光是光子流，有黑体辐射、光电效应、康普顿效应等现象。光子具有粒子的一切属性- 质量、能量和动量。,有些情况下(传播过程中，能量小)波动性突出；,有些情况下(和物质相互作用时，能量、动量大)粒子性突出。,但是，光既不是经典的波，也不是经典的粒子。,描述波动性的物理量：波长 、频率 、周期T 描述粒子性的物理量：能量 E 、质量m、动量P,2.基本关系式,可见，光的这两种性质借助普朗克常量h定量地联系在一起。,光子的能量,光子的质量,光子的动量,体现,光的波粒二象性可以从,光作为电磁波是弥散在