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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,7.4,光电效应,7.5,爱因斯坦的量子解释,Photoelectric Effect and,Einsteins quantum Explanation,为了解释光电效应，,1905,年，爱因斯坦将普朗克的能量子概念加以推广，进一步提出了关于光的本性的光子假说。,Einstein visiting the USA in 1921 with his second wife Elsa,。,1 7.4 光电效应 7.5爱因斯坦的量子解释 为了解释,2,普朗克把能量子的概念只局限于谐振子及其发射或吸收的机制上，对于辐射场，仍然认为只是一种电磁波。,爱因斯坦指出，光不仅具有波动性，也具有粒子性。光是一粒一粒以光速,c,运动的粒子流，这些光粒子称,光量子，,简称,光子,。每个光子的能量为：,不同频率的光其光子能量不同，光子只能整个地被吸收或发射。,一,.,光子,2 普朗克把能量子的概念只局限于谐振子及其发射或吸收的机制上,3,二,.,爱因斯坦光电效应方程,把光子的概念应用于光电效应上，当照射金属表面时，金属中的电子吸收一个光子后，把能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分就成为从金属表面脱出后的初动能。根据能量守恒有,:,上式称为,爱因斯坦光电效应方程,，,A,为电子从金属表面脱出所需要的能量（所作的功）。,由于金属内部的电子可处于不同的能量状态，从金属中脱出时所作的功也各不相同。,3 二.爱因斯坦光电效应方程 把光子的概念应用于光电效应上,4,通常把,A,的最小值,A,0,称为脱出功（或逸出功），对于,A,A,0,的电子来说，脱出后的初动能最大，则有：,三,.,对光电效应的解释,1.,因为入射光的强度是由单位时间到达金属表面的光子数目决定的，即,E,光强,Nh,，而逸出的光电子的数目又与光子的数目成正比，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成了饱和电流,I,0,。由此可见，饱和光电流与入射光强成正比。,4 通常把A的最小值A0称为脱出功（或逸出功），对于AA0,5,2.,由爱因斯坦方程,可以看出，对于给定的金属，逸出功,A,0,一定，则最大初动能,1/2mv,2,m,与频率,成线性关系。,3.,红限存在的解释。如果入射光的频率过低，以致,h,0,=A,0,/h,时,才会有光电效应产生。,4.,当一个光子与一个电子发生碰撞时，电子立即得到光子的全部能量，无需能量的积累时间，故光电效应的驰豫时间很短。,5 2.由爱因斯坦方程可以看出，对于给定的金属，逸出功A0,6,爱因斯坦的光子假设和方程对光电效应的成功解释，说明了它的正确性。但当初人们受经典电磁理论的束缚较重，实验上又未能获得全面的验证，所以爱因斯坦的假设并没有立即得到人们的承认。,爱因斯坦曾经说过：,“,倘若光电方程正确无误，取直角坐标系将遏止电压表征为入射光频率的函数，则遏止电压必定是一条直线，他的斜率与金属材料性质无关。,”,6 爱因斯坦的光子假设和方程对光电效应的成功解释，说明了它的,7,但是在当时条件下，实验是很难实现的。直到,1916,年美国物理学家密立根（,R.A.Millikan,1868-1953),经过非常仔细的实验，证实了爱因斯坦光电效应方程的正确性。,经过近十年的艰苦努力，实验结果总是和自己的预料相反，而与爱因斯坦的假设一致，于,1916,年密立根决然宣布了他的实验结果，使爱因斯坦方程得到了完全的证实。,最初密立根对爱因斯坦的光子假设和方程，持有保守态度，企图通过精密的光电效应实验否定它。,爱因斯坦由于光电效应方面的工作，于,1921,年获得诺贝尔物理学奖,。两年后，密立根也由于在这方面的实验工作而,获得诺贝尔物理学奖,。,7 但是在当时条件下，实验是很难实现的。直到1916年美国物,8,四,.,光电效应的应用,光电效应在农业、工业、科学技术和国防中应用十分广泛。由于它可以把光能直接转换成电能并且这种转换关系很简单。主要被用于测光、计数、自动控制等方面。下面主要介绍两种器件。,1.,真空光电管,真空光电管是光电效应最简单的应用器件。将玻璃泡抽成真空，在内表面涂上光电材料作为阴极，阳极一般作成圆环状。使用时在两极间加上一定的直流电压，就可把照射在阴极上的光信号转换成电信号。,8 四.光电效应的应用光电效应在农业、工业、科学技术和国防,9,阴极可用多种材料制成，,常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极等。,不同的阴极材料用于不同波长范围的光,。,为了提高真空光电管的灵敏度，通常在玻璃泡内充入某种低压惰性气体，光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞，使气体电离，这样可增大光电流，使灵敏度增加。,9 阴极可用多种材料制成，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑,10,2.,光电倍增管,有时光电效应直接产生的电流很小，需要将其放大，光电倍增管由此而诞生。,光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。,如图,Hamamatsu,R3896,光电倍增管,10 2.光电倍增管有时光电效应直接产生的电流很小，需要将,11,在光电阴极脱出的电子在加速电场的作用下，以提高的能量打在第一阴极上，一个电子可以打出几个电子，称为,次发射,，然后再打在第二阴极上，可打出更多电子，如此下去，一级级放大，可放大,10,5,10,6,倍。,因此，光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几百万倍，微弱的光照就可产生很大的电流。,11 在光电阴极脱出的电子在加速电场的作用下，以提高的能量打,12,五,.,光子的质量和动量,光子不仅具有能量，也具有动量和质量。但光子又是以光速运动，牛顿力学便不适用。按照狭义相对论的观点，质量和能量具有如下关系：,因此，光子的质量为：,在狭义相对论中，质量和速度之间的关系为：,m,0,为静止质量，光子以光速,c,运动，因此其静止质量为,零,。,12 五.光子的质量和动量光子不仅具有能量，也具有动量和质,13,在狭义相对论中，任何物体的能量和动量的关系为：,而光子的静止质量,m,0,0,，故光子的动量为：,例题（,P313,例,7.4),若一个光子的能量等于一个电子的静止能量，试问该光子的动量和波长是多少？在电磁波谱中它属于何种射线？,13 在狭义相对论中，任何物体的能量和动量的关系为：而光子的,14,解：一个电子的静止能量为,m,0,c,2,，按题意：,则光子的动量为：,光子的波长为：,在整个电磁波谱中，,射线的波长在,0.01nm,一下，所以该光子在电子波谱中属于,射线,。,若一个光子的能量等于一个电子的静止能量，试问该光子的动量和波长是多少？在电磁波谱中它属于何种射线？,14 解：一个电子的静止能量为m0c2，按题意：则光子的动量,15,六,.,光压,从光子具有动量这一假设出发，还可以解释光压的作用。即当光子流遇到任何障碍物时，在障碍物上施加压力，就好像气体分子在容器壁上的碰撞形成气压的一样。,光压就是光子流产生的压强,。俄罗斯科学家门捷列夫首先于,1900,年做了光压的实验，证实了光压的存在。,光压的存在的事实说明，光不但有能量，而且确实有动量。这有力地证明了光的物质性，证明了光和电子、原子、分子等实物一样，是物质的不同形式。,15 六.光压从光子具有动量这一假设出发，还可以解释光压,
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