大二上所有學(xué)習(xí)工科物理2量子

§16.2

光電效應(yīng)愛因斯坦的光子假說1886年(德)赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波發(fā)射器接收器1887年接收器→紙暗室里紙暗盒→光花暗了→發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)→紫外光照效果更明顯1888年(俄)斯托列托夫?qū)嶒?mmA電流表入射光金屬板金屬網(wǎng)現(xiàn)象:網(wǎng)接正,板接負(fù)有電流網(wǎng)接負(fù),板接正無電流紫外光照效果更明顯結(jié)論:負(fù)電極在光照下放出負(fù)電粒子形成電流有光花◆光電效應(yīng)實驗規(guī)律1899年(英)湯姆生實驗e/m=?A電流表金屬板金屬板⊙H磁場入射光實驗現(xiàn)象：→光電粒子返回到陰極磁場足夠強(qiáng)→無電流→光電粒子作園弧運動根據(jù)電壓、磁場和金屬板間距→可計算出光電粒子的荷質(zhì)比e/m與陰極射線電子荷質(zhì)比e/m比較相同光電粒子=電子結(jié)論：光電效應(yīng)是光照射使金屬內(nèi)部的自由電子獲得大動能，從金屬表面逃逸到空間的一種現(xiàn)象。1899年(德)勒納德實驗逸出能量和最大速度=？抽真空ABC小孔實驗現(xiàn)象：加正向電壓→※有飽和電流零電壓→有電流加小反向電壓→有電流※當(dāng)反向電壓超過一定值(遏止電壓U0)時→無電流入射光U0與光強(qiáng)無關(guān)光電子vmax與光強(qiáng)無關(guān)ACvmaxv=0由U0求vmax:光電子減速運動D收集極正向電壓U正向電壓U反向電壓U反向電壓U光電子加速光電子減速進(jìn)-步發(fā)現(xiàn):※光照后即刻有光電流；※低于某頻率光照射無光電效應(yīng).加陰極射線研究勒納德1905年獲諾貝爾物理獎實驗結(jié)果歸納如下：⑴飽和電流I一定光強(qiáng)E→電壓U↑→光電流I飽和飽和值I與入射光強(qiáng)E成正比⑵遏止電壓U0反向電壓U≥U0→無光電流⑶截止頻率0(紅限)

0的光照射→無光電效應(yīng)U0與入射光頻率成正比⑷弛豫時間(＜10-9s)eU0=(1/2)mvm與光強(qiáng)無關(guān)2照射后即刻產(chǎn)生光電流0UIE1E2E3E1＞E2＞E30U0金屬101金屬202金屬303不同金屬材料,0不同,但斜率同I1I2I3-U0()金屬鎢鈣鈉鉀銣銫紅限頻率

0（1014Hz）10.957.735.535.445.154.69逸出功A

（eV）4.543.202.292.252.131.94幾種金屬的截止頻率0◆光的波動說遇到的困難⑴飽和電流I一定光強(qiáng)E→電壓U↑→光電流I飽和飽和值I與入射光強(qiáng)E成正比⑵遏止電壓U0反向電壓U≥U0→無光電流⑶截止頻率0(紅限)

0的光照射→無光電效應(yīng)U0與入射光頻率成正比⑷弛豫時間(＜10-9s)2eU0=(1/2)mvm與光強(qiáng)無關(guān)照射后即刻產(chǎn)生光電流按照光的波動說光能量～光振幅2電子吸收光能量與頻率無關(guān)→

0的光照射→光電效應(yīng)→不應(yīng)存在紅限矛盾2矛盾1光照下→電子吸收光能量→光強(qiáng)E↑→(1/2)mvm

↑2矛盾3電子吸收光能量須積累到一定值才逸出→需要時間◆愛因斯坦光子假說1905年愛因斯坦→普朗克能量子(h)啟發(fā)→發(fā)表了《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點》論文→提出光子理論→解釋了光電效應(yīng).愛因斯坦論文指出：光子理論::不僅在發(fā)射和吸收時，光的能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個集中存在的、不可分割的能量子組成，其能量為h.對于時間平均值即統(tǒng)計的平均現(xiàn)象,光表現(xiàn)為波動但對于瞬時值即漲落現(xiàn)象,光卻表現(xiàn)為粒子愛因斯坦認(rèn)為這是“非常革命”的。波粒二象性:光的愛因斯坦光子假說→解釋光電效應(yīng)光照下→金屬中自由電子→吸收一個光子能量h一部分用來克服金屬表面的逸出功A由能量守恒:

愛因斯坦方程或離子電子電子海h光電子v金屬物理模型：金屬離子浸在電子海中另一部分為逸出時的動能(1/2)mv2金屬⑴飽和電流I一定光強(qiáng)E→電壓U↑→光電流I飽和飽和值I與入射光強(qiáng)E成正比⑵遏止電壓U0反向電壓U≥U0→無光電流⑶截止頻率0(紅限)

0的光照射→無光電效應(yīng)U0與入射光頻率成正比⑷弛豫時間(＜10-9s)eU0(1/2)mvm與光強(qiáng)無關(guān)2照射后即刻產(chǎn)生光電流光強(qiáng)一定→光子數(shù)一定→光電子數(shù)一定→飽和光強(qiáng)↑→光子數(shù)↑→光電子數(shù)↑→飽和電流↑(1/2)mv2=h

-A→與成正比→與光強(qiáng)無關(guān)(1/2)mv2=h

-A＞0

→才有光電子→截止頻率0=A/h(紅限)電子吸收h

→無需積累能量時間→即刻產(chǎn)生光電流愛因斯坦光子假說成功解釋了光電效應(yīng)。但仍有人不服，進(jìn)一步作什么實驗才能讓世人口服心服？請同學(xué)們思考…..0U0金屬101金屬202金屬303不同金屬材料,0不同,但斜率同用不同頻率光對不同金屬材料作實驗,實驗曲線如圖→實測斜率值愛因斯坦理論斜率值兩者比較eU0=(1/2)mv2=h

-A斜率=h/e若h愛

=h普普朗克常數(shù)便成功普朗克常數(shù)h愛=e×實測斜率eA-ehU0n=1915年(美)密立根改進(jìn)勒納德實驗如圖實驗難度分析：表面氧化物→接觸電勢差→影響測量結(jié)果抽真空BC小孔入射光D收集極反向電壓U刮刀用刮刀把金屬表面氧化物去掉，讓新鮮表面露出。用汞燈光經(jīng)光柵出來的6根譜線:

1~6單色光分別入射→調(diào)反向電壓U→無光電流→遏止電壓U0

1=253.5nm

2=312.5nm

3=365.0nm

4=404.7nm

5=433.9nm

6=546.1nm(紫外光)(可見光)1916年密立根發(fā)表的兩張實驗曲線如下:愛因斯坦獲1921年諾貝爾獎(補(bǔ)發(fā))密立根獲1923年的諾貝爾物理學(xué)獎→斜率→h愛

=6.56×10-34J.sh普

=6.65×10-34J.s比較結(jié)果：h愛≈h普

偏差＜0.5%結(jié)論：愛因斯坦光子理論正確六個交點遏止電壓六個頻率的遏止電壓接成直線§16.3康普頓散射■概述1905年愛因斯坦提出光子理論,并成功解釋了光電效應(yīng).1916年密立根實驗判決性地證明光子理論正確.但僅可見光紫外光的實驗,而其僅占整個電磁波范圍極少部分推廣光子概念遍及整個電磁波！汞有3根紫外光譜線,3根可見光譜線.因此，仍有物理學(xué)家們對此光子概念有疑慮…愛因斯坦光子概念:電磁波由光子組成，光子是整體起作用;光子能量E=h

=mc2

,光子動量p=mc=h

/c=h/λ

■康普頓效應(yīng)實驗規(guī)律康普頓自制設(shè)備如圖→電流表晶體第一道縫第二道縫光閘鋁盒稀有氣體游離室A測散射X光強(qiáng)：高能X射線入射，使游離室里氣體分子電離，散射X光強(qiáng)越大,則氣體分子電離越多，電離電流值越大。反之亦然。測散射X光波長：由布拉格公式：2dsin=k,(k=1,2,3…)已知晶面間距d,電離電流值極大→可測測出波長散射光強(qiáng)極大對應(yīng)一個波長.X光入射

0

實驗結(jié)果:⑴散射X光中兩個波長

0(原入射波長),

>0⑵↑→–0=

↑且↑→0散射X光強(qiáng)度↓↑→散射X光強(qiáng)度↑⑶在相同散射角下，

不同金屬,不同0→但相同

原子序數(shù)↑→0強(qiáng)度↑

原子序數(shù)↑→

強(qiáng)度↓

=0o45o

90o135o■康普頓效應(yīng)理論解釋※經(jīng)典電磁理論無法解釋！光的散射過程：入射光→電偶子吸收能量受迫振蕩→空間變化電場→變化磁場→變化電場…→電磁波(散射波)受迫振動(散射光頻率=入射光頻率)散射=入射※愛因斯坦光子理論可以解釋！入射X光子→彈性碰撞→物中靜止自由電子碰撞前能量：碰撞前動量：自由電子入射光子碰撞后能量：碰撞后動量：反沖電子散射光子反沖電子散射X光子根據(jù)能量守恒和動量守恒有：(相對論效應(yīng))靜止電子入射X光子xyx:y:兩式相減后h=6.63×10-34J.s

m0=9.1×10-31kg

c=3.0×108m/s康普頓常數(shù)⑴散射X光中兩個波長、0(原入射波長),并且＞0光子理論解釋康普頓效應(yīng)如下：核外層電子束縛弱→高能X光碰撞→產(chǎn)生散射光核內(nèi)層電子束縛強(qiáng)→高能X光碰撞→產(chǎn)生散射光0如同與原子碰撞m0≈m原子大→∴≈0碰撞→能量守恒→反沖電子能量增加→h散＜h入＞0解釋:⑵

↑→–0=↑且

↓→0散射X光強(qiáng)度↑↑→散射X光強(qiáng)度↑↓→電子反沖小↑→電子反沖大θφ反沖電子散射X光子靜止電子入射X光子xy→不易脫離原子核→如同與原子碰撞→易脫離原子核→如同電子碰撞公式上：物理上：↑→反沖電子能量↑→0散射光強(qiáng)度↑→散射光強(qiáng)度↑∴↑→

↑h入-h散能量差值↑→

↑解釋:⑶在相同散射角下,不同金屬,0不同→但

相同

原子序數(shù)↑→0強(qiáng)度↑,

強(qiáng)度↓原子序數(shù)↑→電子數(shù)↑→外層電子數(shù)相對↓→0強(qiáng)度↑

→

強(qiáng)度↓解釋:由布拉格公式：2dsin=k,(k=1,2,3…)不同金屬→晶面間距d不同→0不同不