光電效應(yīng)愛因斯坦的光量子論_第1頁
光電效應(yīng)愛因斯坦的光量子論_第2頁
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文檔簡介

光電效應(yīng)愛因斯坦的光量子論第一頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五2.實驗裝置GD為光電管;光通過石英窗口照射陰極K,光電子從陰極表面逸出。光電子在電場加速下向陽極A運動,形成光電流。VAGDKA第二頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五3.實驗規(guī)律將換向開關(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。

電壓達(dá)到某一值-U0

時,光電流恰為0。

U0稱反向截止電壓。

在一定強度的單色光照射下,光電流隨加速電壓的增加而增大,但當(dāng)加速電壓增加到一定量值時,光電流達(dá)飽和值is.

加速電壓為零時,光電流不為零,說明光電子從金屬表面逸出時具有初動能.第三頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五(1)光電流與光強的關(guān)系

如果增加入射光的強度,飽和光電流is也隨著增大.即飽和光電流與入射光的強度成正比。結(jié)論1:單位時間內(nèi),從金屬表面釋放出來的電子數(shù)和入射光的強度成正比。(2)截止電壓

加截止電壓U0時,光電子的動能全部用來克服電場力作功第四頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五截止電壓和入射光的頻率之間具有線性關(guān)系,與入射光強無關(guān)。截止電壓與頻率的關(guān)系

為不隨金屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量(3)截止頻率(又稱紅限)

第五頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五

稱為光電效應(yīng)的紅限(截止頻率)

結(jié)論2:光電子從金屬表面逸出時的最大初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系。結(jié)論3:當(dāng)入射光的頻率小于時,不管照射光的強度多大,不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。第六頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五(4)弛豫時間

從入射光開始照射直到金屬釋放出電子,無論光的強度如何,這段時間很短,不超過。結(jié)論4:光電效應(yīng)是瞬時的。二.經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難1)光波的能量與光強有關(guān),電子吸收的能量也與光強有關(guān),光電子的初動能應(yīng)隨入射光的強度增加。不存在截止頻率!2)光波的能量分布在波面上,電子積累能量需要一段時間,光電效應(yīng)不可能瞬時發(fā)生!按照光的經(jīng)典電磁理論:第七頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五

普朗克把能量量子化的概念只局限于物體內(nèi)振子的發(fā)射或吸收上,并未涉及輻射在空間的傳播。相反,當(dāng)時認(rèn)為在空間傳播的電磁輻射,其能量仍是連續(xù)分布的。這顯然是不協(xié)調(diào)的。三、愛因斯坦的光子理論愛因斯坦指出了上述不協(xié)調(diào)性。1905年提出了光子假說:(1)光是由光子組成的光子流,光的能量集中于一顆顆的光子上。(2)光子的能量和其頻率成正比1.愛因斯坦光子假說第八頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五(3)光子具有“整體性”。一個光子只能“整個地”被電子吸收或放出。2.對光電效應(yīng)的解釋1)光照射到金屬表面時,一個光子的能量可以立即被金屬中的自由電子吸收。2)但只有當(dāng)入射光的頻率足夠高,以致每個光子的能量h足夠大時,電子才有可能克服逸出功Φ逸出金屬表面。用Φ表示電子逸出金屬表面時克服阻力而做的功,稱為逸出功。第九頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五3)逸出的電子的最大初動能為4)當(dāng)

/h時,電子的能量不足以克服逸出功而發(fā)生光電效應(yīng)。存在紅限頻率.紅限頻率光量子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實驗規(guī)律!第十頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五幾種金屬的紅限及逸出功鈀Pd金Au汞Hg鈦Ti銫Cs12.111.610.99.9248258275303654.85.0金屬紅限逸出功(Hz)(nm)νc04.8=ν0(eV)+10140l第十一頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五

美國物理學(xué)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。3.光電效應(yīng)理論的驗證數(shù)據(jù)取自R.A.Millikan,PhysicalReview,7,362(1916)第十二頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五4.普朗克常數(shù)h的測定愛因斯坦方程代入上式第十三頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五5.多光子光電效應(yīng)

在愛因斯坦最初研究光電效應(yīng)時,并沒有考慮到多光子吸收(即一個電子吸收兩個或兩個以上光子)的情況。但在激光出現(xiàn)后,實驗上發(fā)現(xiàn)了新的吸收過程,特別對于雙光子吸收的過程,在實驗上和理論上均取得了許多成果。

1983年Forkas等人用co2激光器發(fā)出波長為10.6μm的激光為入射光,金作為靶金屬,觀察到了吸收40個等效光子的過程。第十四頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五

光電控制電路、自動報警、自動計數(shù)、光電倍增管、鼠標(biāo)器等等。6.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用

利用光電效應(yīng)中光電流與入射光強成正比的特性,可以制造光電轉(zhuǎn)換器----實現(xiàn)光信號與電信號之間的相互轉(zhuǎn)換。這些光電轉(zhuǎn)換器如光電管等,廣泛應(yīng)用于光功率測量、光信號記錄、電影、電視和自動控制等諸多方面。第十五頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五光電倍增管放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖原理:當(dāng)加在發(fā)光元件上的信號達(dá)到某一定值時,光的作用使光敏器件的阻值發(fā)生急劇變化,從而起到閉合或開斷電路的作用。第十六頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五

光電效應(yīng)的研究歷經(jīng)三十年,有三人榮獲諾貝爾物理獎萊納德發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象1905年愛因斯坦理論解釋1921年密立根實驗證實1923年密立根,美國物理學(xué)家。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。第十七頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五四、光的波粒二象性1.近代關(guān)于光的本性的認(rèn)識

光既具有波動性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。波動性:光是電磁波,有干涉、衍射現(xiàn)象粒子性:光是光子流,光子具有粒子的一切屬性---質(zhì)量、能量、動量。有些情況下(傳播過程中,能量小)波動性突出;有些情況下(和物質(zhì)相互作用時,能量、動量大)粒子性突出。第十八頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五描述光的波動性:波長,頻率描述光的粒子性:能量E

,動量P2.基本關(guān)系式靜質(zhì)量動質(zhì)量光子動量但是,光即不是經(jīng)典的波,也不是經(jīng)典的粒子。光子質(zhì)量第十九頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五

光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的,光作為粒子在空間中是集中而分立的。如何統(tǒng)一呢?兩者統(tǒng)一于概率波理論。3.波動性和粒子性的統(tǒng)一第二十頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五單縫衍射

光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比,光子數(shù)N

IE02光子是分立的,光強分布可以是連續(xù)的。光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定。光子在某處出現(xiàn)的概率大,則該處的光強I大;光子在某處出現(xiàn)的概率小,則該處的光強I?。坏诙豁?,共三十三頁,編輯于2023年,星期五五、康普頓效應(yīng)康普頓吳有訓(xùn)1923年康普頓(及中國科學(xué)家吳有訓(xùn))研究了x射線通過物質(zhì)時向各方向散射的現(xiàn)象。進(jìn)一步證實了愛因斯坦的光子概念。第二十二頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五1.實驗裝置

康普頓發(fā)現(xiàn),在散射光中除了有與入射光波長λ0

相同的射線之外,同時還出現(xiàn)一種波長λ大于λ0

的射線。這種改變波長的散射稱為康普頓效應(yīng)。第二十三頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五1)原子質(zhì)量較小的物質(zhì),波長對應(yīng)的譜線強度大,康普頓效應(yīng)顯著;原子質(zhì)量大的物質(zhì)康普頓效應(yīng)較弱。049Be2964Cu減小。2.實驗結(jié)果增大,在同一散射角下,隨原子序數(shù)Z增大,第二十四頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五吳有訓(xùn)的康普頓效應(yīng)散射實驗曲線第二十五頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五2)波長的改變量與散射角有關(guān),與散射物質(zhì)和入射波長無關(guān)。(相對強度)(波長)第二十六頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五2.經(jīng)典理論的解釋

根據(jù)經(jīng)典電磁波理論,當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時,物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動,散射光頻率=粒子作受迫振動頻率=入射光頻率.光的波動理論無法解釋康普頓效應(yīng)。3.光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋

康普頓效應(yīng)進(jìn)一步充實了愛因斯坦的光子概念:一定頻率的光子不僅具有確定的能量,而且還有確定的動量,即光子的動量:光子的能量:第二十七頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五(1)若光子和外層電子相碰撞,光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少,于是散射光的波長大于入射光的波長。(2)若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞,光子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量,根據(jù)碰撞理論,碰撞前后光子能量幾乎不變,波長不變。

康普頓用光子概念成功地解釋了康普頓效應(yīng):光子與靜止的自由電子發(fā)生彈性碰撞,碰撞過程中嚴(yán)格遵守能量、動量守恒定律。第二十八頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五(3)在重原子中,內(nèi)層電子比輕原子多,而內(nèi)層電子束縛很緊,所以原子量大的物質(zhì),康普頓效應(yīng)比原子量小的弱。(4)因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān),所以波長改變和散射角有關(guān)。X射線是由一些能量為=h

的光子組成,并且這些光子與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞,在輕原子中,原子核對電子的束縛較弱,可以把電子看作是靜止的自由電子。4.康普頓效應(yīng)的定量分析第二十九頁,共三十三頁,編輯于2023年,星期五碰撞前:光子能量為ho,動量為ho/c;電子的能量為moc2,動量為零。反沖電子碰撞后:光子散射角為,光子能量為h,動量為h/c;電子飛出的方向與入射光子的夾角為,它的能量為,動量為。第三十頁,共三十三頁,編輯于20

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