大學物理光電效應(yīng).ppt

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當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。,15-2 光電效應(yīng) 愛因斯坦的光量子理論,一、光電效應(yīng),石英窗,光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。,光電子在電場作用下 形成光電流。,1. 光電效應(yīng)實驗,二、光電效應(yīng)的實驗,,,將換向開關(guān)反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。,當 K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值 Ue時，光電流恰為0。 Ue稱遏止電壓。,遏止電壓Ue,,,IH,光強較強,光強較弱,,,IH,2.光電效應(yīng)的實驗結(jié)果,遏 止 電 壓,飽 和 電 流,(1)光電流與光強的關(guān)系,飽和光電流強度與入射光強度成正比。,(2)存在截止頻率?c ----極限（紅限）頻率,對于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率?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。,從光開始照射到光電逸出所需時間10-9s。,(3)光電效應(yīng)是瞬時的,三、經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實驗結(jié)果。,按照經(jīng)典波動理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。,光電效應(yīng)實驗表明：飽和電流不僅與光強有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。,光電效應(yīng)具有瞬時性。而經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。,為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。,頻率為? 的光是由大量能量為 ? =h? 光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。 光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為h?的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此.,四.愛因斯坦的光量子假設(shè),在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功 A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽?Ek 。由能量守恒可得出：,1.愛因斯坦光電效應(yīng)方程,A:為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；,為光電子的最大初動能。,當 ?＜A/h時，不發(fā)生光電效應(yīng)。,紅限頻率,光強I? ? 光子數(shù)N ? ? 打出光電子多?光電流大,h? A時才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。,光子打出光電子是瞬時發(fā)生的。,,愛因斯坦方程,光量子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實驗規(guī)律！,例題,波長為 4000 的單色光照射在逸出功為 2.0 的金屬材料上，求：光電子的初動能，截止電壓，紅限頻率,截止電壓,紅限頻率,2.光的波粒二象性,,光子,相對論能量和動量關(guān)系,（2）粒子性： （光電效應(yīng)等）,（1）波動性： 光的干涉和衍射,光子質(zhì)量 m=h?/c2,由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學獎。,3.光電效應(yīng)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(yīng)”實驗，結(jié)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(yīng)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(yīng)，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,。,康普頓(1891-1962) (Arthur Holly Compton) 美國著名的物理學家、“康普頓效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)者。1920年起任圣路易斯華盛頓大學物理系主任，1923年起任芝加哥大學物理系教授，1927年度諾貝爾物理學獎,15-3 康普頓效應(yīng),1923年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，把這種現(xiàn)象稱為“康普頓效應(yīng)”,一、康普頓效應(yīng),二.康普頓散射的實驗裝置,晶體,光闌,探 測 器,?0,散射波長?,(1) 散射光中除有與入射線波長相同的，還有比入射線波長大的波長,稱為電子的Compton波長,波長的偏移只與散射角? 有關(guān)，與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。,?c = 0.0241=2.41?10-3nm（實驗值）,實驗結(jié)果,1.康普頓效應(yīng)的主要特點是 (A) 散射光的波長均比入射光的波長短，且隨散射角增大而減小，但與散射體的性質(zhì)無關(guān)． (B) 散射光的波長均與入射光的波長相同，與散射角、散射體性質(zhì)無關(guān)． (C) 散射光中既有與入射光波長相同的，也有比入射光波長長的和比入射光波長短的.這與散射體性質(zhì)有關(guān)． (D) 散射光中有些波長比入射光的波長長，且隨散射角增大而增大，有些散射光波長與入射光波長相同．這都與散射體的性質(zhì)無關(guān)．,答案D,三、經(jīng)典電磁理論的困難,射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。,其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散,過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，,根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通,X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞,碰撞過程中能量與動量守恒,四、康普頓效應(yīng)的理論解釋,碰撞→光子把部分能量傳給電子 →光子的能量?散射X射線的頻率?，波長?,波長1的X射線 ：,光子,外層電子束縛能,,室溫下 kT~10-2eV，,所以外層電子近似可看成是靜止的。,,,,,,e,自由電子(靜止),,,?,m0,h?,光子:,能量 動量,碰撞前,碰撞后,能量 動量,電子:,能量守恒: h?0+ m0 c2= h?+ m c2,動量守恒:,0,解得,=0.0243 = 2 .43?10-3nm（理論值）,?c = 0.0241=2.41?10-3nm（實驗值）,→散射線中還有與原波長相同的射線,光子還可與石墨中被原子核束縛得很緊的電子發(fā)生碰撞,→相當于光子和整個原子碰撞,→在彈性碰撞中散射光子的能量(波長)幾乎不改變,五、康普頓散射實驗的意義,支持了“光量子”概念，進一步證實了,首次實驗證實了愛因斯坦提出的“光量子具有動量”的假設(shè)：,證實了在微觀的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。,,康普頓獲得1927年諾貝爾物理學獎。,P = E/c = h?/c = h/?,? = h?,1925—1926年，吳有訓用銀的X射線(?0 =5.62nm) 為入射線, 以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，,吳有訓對研究康普頓效應(yīng)的貢獻,1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.,對證實康普頓效應(yīng)作出了 重要貢獻。,在同一散射角( )測量 各種波長的散射光強度，作 了大量 X 射線散射實驗。,中國近代物理學奠基人 教育家,中國近代物理學奠基人，科學家，教育家，1920年畢業(yè)于南京高等師范學校（今南京大學）。1921年赴美入芝加哥大學，隨康普頓從事物理學研究，1926年獲博士學位。1926年秋回國，先后在江西大學和中央大學（今南京大學）任教，1928年秋起任清華大學教授，物理系主任、理學院院長（包括1938年以后在西南聯(lián)合大學的8年）。1945年10月任中央大學校長。1948年底任交通大學教授。1949年任校務(wù)委員會主任。1950年夏任中國科學院近代理研究所所長，同年12月起任中國科學院副院長，。1949年秋-1952年秋，任交通大學（暨西安交大與上海交大前身）校長。,光與物質(zhì)的相互作用時可能會發(fā)生若干種不同的效應(yīng)： 有光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，它們是不同能量的光子與物質(zhì)中的原子、電子、原子核相互作用的結(jié)果。 各種現(xiàn)象發(fā)生的概率與入射光子的能量有密切關(guān)系： 入射光子能量較低（可見光到紫外光），以光電效應(yīng)為主；入射光子能量中等（X射線到γ射線），以康普頓效應(yīng)為主；入射光子能量較高，可以與原子核發(fā)生作用,例:設(shè)有波長為?=1.00?10-10 m的X射線的光子與自由電子作彈性碰撞.散射X射線的散射角?=90?,問(1)散射波長與入射波長的改變量??為多少?(2)反沖電子得到多少動能?,解:(1),(2)反沖電子的動能,代入數(shù)據(jù)得Ek=4.71?10-17 J =295eV,電子所得動能Ek即為光子能量的損失.,思考：什么散射角電子的反沖能量是最大的？,