大学物理光电效应.ppt

当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。,15-2 光电效应 爱因斯坦的光量子理论,一、光电效应,石英窗,光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。,光电子在电场作用下 形成光电流。,1. 光电效应实验,二、光电效应的实验,将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。,当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 Ue时，光电流恰为0。 Ue称遏止电压。,遏止电压Ue,IH,光强较强,光强较弱,IH,2.光电效应的实验结果,遏 止 电 压,饱 和 电 流,(1)光电流与光强的关系,饱和光电流强度与入射光强度成正比。,(2)存在截止频率c -极限（红限）频率,对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c,当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面,当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,从光开始照射到光电逸出所需时间10-9s。,(3)光电效应是瞬时的,三、经典理论无法解释光电效应的实验结果。,按照经典波动理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。,光电效应实验表明：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。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。,光电效应具有瞬时性。而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。,为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。,频率为 的光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。 光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此.,四.爱因斯坦的光量子假设,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功 A，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出：,1.爱因斯坦光电效应方程,A:为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；,为光电子的最大初动能。,当 A/h时，不发生光电效应。,红限频率,光强I 光子数N 打出光电子多光电流大,h A时才能产生光电效应。,光子打出光电子是瞬时发生的。,爱因斯坦方程,光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！,例题,波长为 4000 的单色光照射在逸出功为 2.0 的金属材料上，求：光电子的初动能，截止电压，红限频率,截止电压,红限频率,2.光的波粒二象性,光子,相对论能量和动量关系,（2）粒子性： （光电效应等）,（1）波动性： 光的干涉和衍射,光子质量 m=h/c2,由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。,3.光电效应理论的验证,美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。,爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖,。,密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖,。,康普顿(1891-1962) (Arthur Holly Compton) 美国著名的物理学家、“康普顿效应”的发现者。1920年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任，1923年起任芝加哥大学物理系教授，1927年度诺贝尔物理学奖,15-3 康普顿效应,1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，把这种现象称为“康普顿效应”,一、康普顿效应,二.康普顿散射的实验装置,晶体,光阑,探 测 器,0,散射波长,(1) 散射光中除有与入射线波长相同的，还有比入射线波长大的波长,称为电子的Compton波长,波长的偏移只与散射角 有关，与散射物质的性质无关。,c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）,实验结果,1.康普顿效应的主要特点是 (A) 散射光的波长均比入射光的波长短，且随散射角增大而减小，但与散射体的性质无关 (B) 散射光的波长均与入射光的波长相同，与散射角、散射体性质无关 (C) 散射光中既有与入射光波长相同的，也有比入射光波长长的和比入射光波长短的.这与散射体性质有关 (D) 散射光中有些波长比入射光的波长长，且随散射角增大而增大，有些散射光波长与入射光波长相同这都与散射体的性质无关,答案D,三、经典电磁理论的困难,射光频率应等于入射光频率。,其频率等于入射光频率，所以它所发射的散,过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，,根据经典电磁波理论，当电磁波通,X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞,碰撞过程中能量与动量守恒,四、康普顿效应的理论解释,碰撞光子把部分能量传给电子 光子的能量散射X射线的频率，波长,波长1的X射线 ：,光子,外层电子束缚能,室温下 kT10-2eV，,所以外层电子近似可看成是静止的。,e,自由电子(静止),m0,h,光子:,能量 动量,碰撞前,碰撞后,能量 动量,电子:,能量守恒: h0+ m0 c2= h+ m c2,动量守恒:,0,解得,=0.0243 = 2 .4310-3nm（理论值）,c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）,散射线中还有与原波长相同的射线,光子还可与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞,相当于光子和整个原子碰撞,在弹性碰撞中散射光子的能量(波长)几乎不改变,五、康普顿散射实验的意义,支持了“光量子”概念，进一步证实了,首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设：,证实了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖。,P = E/c = h/c = h/, = h,19251926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，,吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.,对证实康普顿效应作出了 重要贡献。,在同一散射角( )测量 各种波长的散射光强度，作 了大量 X 射线散射实验。,中国近代物理学奠基人 教育家,中国近代物理学奠基人，科学家，教育家，1920年毕业于南京高等师范学校（今南京大学）。1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，1926年获博士学位。1926年秋回国，先后在江西大学和中央大学（今南京大学）任教，1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长（包括1938年以后在西南联合大学的8年）。1945年10月任中央大学校长。1948年底任交通大学教授。1949年任校务委员会主任。1950年夏任中国科学院近代理研究所所长，同年12月起任中国科学院副院长，。1949年秋-1952年秋，任交通大学（暨西安交大与上海交大前身）校长。,光与物质的相互作用时可能会发生若干种不同的效应： 有光电效应，康普顿效应，它们是不同能量的光子与物质中的原子、电子、原子核相互作用的结果。 各种现象发生的概率与入射光子的能量有密切关系： 入射光子能量较低（可见光到紫外光），以光电效应为主；入射光子能量中等（X射线到射线），以康普顿效应为主；入射光子能量较高，可以与原子核发生作用,例:设有波长为=1.0010-10 m的X射线的光子与自由电子作弹性碰撞.散射X射线的散射角=90,问(1)散射波长与入射波长的改变量为多少?(2)反冲电子得到多少动能?,解:(1),(2)反冲电子的动能,代入数据得Ek=4.7110-17 J =295eV,电子所得动能Ek即为光子能量的损失.,思考：什么散射角电子的反冲能量是最大的？,