1、太原理工大學物理系太原理工大學物理系 1887年，赫茲在用萊頓瓶做放電實驗時注年，赫茲在用萊頓瓶做放電實驗時注意到，有紫外線照在火花隙的負極上，放電就意到，有紫外線照在火花隙的負極上，放電就比較容易發(fā)生。比較容易發(fā)生。 1896年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后, ,勒納德證明勒納德證明了光電效應中發(fā)出的是了光電效應中發(fā)出的是電子電子. .16-2 16-2 光電效應光電效應 愛因斯坦的光量子論愛因斯坦的光量子論一、光電效應的實驗規(guī)律一、光電效應的實驗規(guī)律 光照射某些金屬時能從表面釋放出電子的光照射某些金屬時能從表面釋放出電子的效應產(chǎn)生的電子稱為效應產(chǎn)生的電子稱為光電子。光電子。1.

2、1.光電效應光電效應太原理工大學物理系太原理工大學物理系2.2.實驗裝置實驗裝置GD為光電管；光通過石英窗口照射陰極為光電管；光通過石英窗口照射陰極K，光電，光電子從陰極表面逸出。光電子在電場加速下向陽極子從陰極表面逸出。光電子在電場加速下向陽極A運動，形成運動，形成光電流光電流。VAGDKA太原理工大學物理系太原理工大學物理系isio0UU3.3.實驗規(guī)律實驗規(guī)律將換向開關反接，電場反向，將換向開關反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。向電場阻礙作用。 電壓達到某一值電壓達到某一值- -U0 時，光電流恰為時，光電流恰為0 0。 U0稱稱反向反向截止

3、電壓截止電壓。 在一定強度的單色光照射下在一定強度的單色光照射下, ,光電流隨加速電壓光電流隨加速電壓的增加而增大的增加而增大, ,但當加速電壓增加到一定量值時但當加速電壓增加到一定量值時, ,光光電流達飽和值電流達飽和值is. 加速電壓為零時加速電壓為零時, ,光電流不光電流不為零為零, ,說明光電子從金屬表面說明光電子從金屬表面逸出時具有逸出時具有初動能初動能. .太原理工大學物理系太原理工大學物理系( (1)1)光電流與光強的關系光電流與光強的關系 如果增加入射光的強度如果增加入射光的強度, ,飽和光電流飽和光電流is也隨著增也隨著增大大.即飽和光電流與入射即飽和光電流與入射光的強度成正

4、比。光的強度成正比。結(jié)論結(jié)論1 1：單位時間內(nèi)單位時間內(nèi), ,從金從金屬表面釋放出來的電子數(shù)屬表面釋放出來的電子數(shù)和入射光的強度成正比。和入射光的強度成正比。1I2Iis1i2sio0UU12II （2）截止電壓）截止電壓 加截止電壓加截止電壓U0時時, ,光電光電子子的動能全部用來的動能全部用來克服電場克服電場力作功力作功021eUm2mv太原理工大學物理系太原理工大學物理系截止電壓截止電壓 和入射光的頻率之間具有線性關系和入射光的頻率之間具有線性關系,與與入射光強無關。入射光強無關。0U0U0CsKCu截止電壓與頻率的關系截止電壓與頻率的關系0U 為不隨金屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量為不隨金

5、屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量（3）截止頻率（又稱紅限）截止頻率（又稱紅限） 太原理工大學物理系太原理工大學物理系0 稱為光電效應的紅限（截止頻率）稱為光電效應的紅限（截止頻率） 結(jié)論結(jié)論2：光電子從金屬表面逸出時的最大初動能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系。與入射光的頻率成線性關系。0U0得得 結(jié)論結(jié)論3: 當入射光的頻率小于當入射光的頻率小于 時，不管照射光的時，不管照射光的強度多大，不會產(chǎn)生光電效應。強度多大，不會產(chǎn)生光電效應。0021eUm2mv0v212mm因)( e太原理工大學物理系太原理工大學物理系（4）弛豫時間）弛豫時間 s910 從入射光開始照射直到金屬

6、釋放出電子，無論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，不超過光的強度如何，這段時間很短，不超過 。結(jié)論結(jié)論4:4:光電效應是瞬時的。光電效應是瞬時的。二二.經(jīng)典物理學所遇到的困難經(jīng)典物理學所遇到的困難1)光波的能量與光強有關，電子吸收的能量也與光波的能量與光強有關，電子吸收的能量也與光強有關，光電子的初動能應隨入射光的強度增光強有關，光電子的初動能應隨入射光的強度增加。不存在截止頻率！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，光電效應不可能瞬時發(fā)生！一段時間，光電效應不可能瞬時發(fā)生！按照光的經(jīng)

7、典電磁理論：按照光的經(jīng)典電磁理論：太原理工大學物理系太原理工大學物理系 普朗克把能量量子化的概念只局限于物體內(nèi)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，當時認為在空間傳播的電磁輻射，其播。相反，當時認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。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。愛因斯坦指出了上述不協(xié)調(diào)性。19051905年提出了年提出了光光子假說：子假說：(1)(1)光是由光子組成的光子流，光的能量集中于光是由

8、光子組成的光子流，光的能量集中于一顆顆的光子上。一顆顆的光子上。(2)(2)光子的能量和其頻率成正比光子的能量和其頻率成正比h1.1.愛因斯坦光子假說愛因斯坦光子假說太原理工大學物理系太原理工大學物理系(3)(3)光子具有光子具有“整體性整體性”。一個光子只能。一個光子只能“整個整個地地”被電子吸收或放出。被電子吸收或放出。2.2.對光電效應的解釋對光電效應的解釋1)1)光照射到金屬表面時，一個光子的能量可以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立即被金屬中的自由電子吸收。 2)2)但只有當入射光的頻率足夠高，以致每個光子但只有當入射光的頻率足夠高，以致每個光子的能量

9、的能量 h h 足夠大時，電子才有可能足夠大時，電子才有可能克服逸出功克服逸出功逸出金屬表面。逸出金屬表面。 用用表示電子逸出金屬表面時克服阻力而做的功，表示電子逸出金屬表面時克服阻力而做的功，稱為稱為逸出功逸出功。太原理工大學物理系太原理工大學物理系3)3)逸出的電子的最大初動能為逸出的電子的最大初動能為hmm221v4)當當 /h時，電子的能量不足以克服逸時，電子的能量不足以克服逸出功而出功而發(fā)生光電效應。存在發(fā)生光電效應。存在紅限頻率紅限頻率.紅限頻率紅限頻率h0光量子光量子假設解釋了光電效應的全部實驗規(guī)律！假設解釋了光電效應的全部實驗規(guī)律！太原理工大學物理系太原理工大學物理系幾種金屬的

10、紅限及逸出功幾種金屬的紅限及逸出功鈀鈀 Pd金金 Au汞汞 Hg鈦鈦 Ti銫銫 Cs12.111.610.99.9248258275303654.85.0金金 屬屬紅紅 限限逸逸 出出 功功(Hz)(nm)c04.8=0（eV)+10140l00c太原理工大學物理系太原理工大學物理系 美國物理學家密立根，花了十年時間做了美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光光電效應電效應”實驗，結(jié)果在實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，年證實了愛因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論的正確。理論的正確。3.3.光電效

11、應理論的驗證光電效應理論的驗證數(shù)據(jù)取自數(shù)據(jù)取自R.A.Millikan,Physical Review,7,362(1916)太原理工大學物理系太原理工大學物理系4.4.普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)h的測定的測定0U00UehU0eUh0愛因斯坦方程愛因斯坦方程hmm221v0eUheehU0021eUm2mv代入上式代入上式太原理工大學物理系太原理工大學物理系5 5.多光子光電效應多光子光電效應 在愛因斯坦最初研究光電效應時，并沒有考慮在愛因斯坦最初研究光電效應時，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)

12、了新的子）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。和理論上均取得了許多成果。 1983年年Forkas等人用等人用co2激光器發(fā)出波長為激光器發(fā)出波長為10.6m的激光為入射光，金作為靶金屬，觀察到了的激光為入射光，金作為靶金屬，觀察到了吸收吸收40個等效光子的過程。個等效光子的過程。太原理工大學物理系太原理工大學物理系 光電控制電路、自動報警、自動計數(shù)、光電光電控制電路、自動報警、自動計數(shù)、光電倍增管、鼠標器等等。倍增管、鼠標器等等。6.6.光電效應在近代技術中的應用光電效應在近

13、代技術中的應用 利用光電效應中光電流與入射光強成正比利用光電效應中光電流與入射光強成正比的特性的特性, ,可以制造光電轉(zhuǎn)換器可以制造光電轉(zhuǎn)換器-實現(xiàn)光信號與實現(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，廣泛應用于光功率測量、光信號記錄、電管等，廣泛應用于光功率測量、光信號記錄、電影、電視和自動控制等諸多方面。電影、電視和自動控制等諸多方面。太原理工大學物理系太原理工大學物理系光電倍增管光電倍增管放大器放大器接控件機構接控件機構光光光控繼電器示意圖光控繼電器示意圖原理：原理：當加在發(fā)光元件上的當加在發(fā)光元件上的信號達到某一定值時，光的信號達到

14、某一定值時，光的作用使光敏器件的阻值發(fā)生作用使光敏器件的阻值發(fā)生急劇變化，從而起到閉合或急劇變化，從而起到閉合或開斷電路的作用。開斷電路的作用。 太原理工大學物理系太原理工大學物理系 光電效應的研究歷經(jīng)三十年，有三人榮獲諾貝光電效應的研究歷經(jīng)三十年，有三人榮獲諾貝爾物理獎爾物理獎萊納德萊納德 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象 1905年年愛因斯坦愛因斯坦 理論解釋理論解釋 1921年年密立根密立根 實驗證實實驗證實 1923年年密立根，美國物理學密立根，美國物理學家。研究基本電荷和光家。研究基本電荷和光電效應，特別是通過著電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。荷有最小單位。

15、太原理工大學物理系太原理工大學物理系四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性1.近代關于光的本性的認識近代關于光的本性的認識 光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波波粒二象性。粒二象性。波動性：光是電磁波，有干涉、衍射現(xiàn)象波動性：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粒子性：光是光子流，光子具有粒子的一切屬性性- 質(zhì)量、能量、動量。質(zhì)量、能量、動量。 有些情況下有些情況下(傳播過程中，能量小傳播過程中，能量小)波動性突出；波動性突出；有些情況下有些情況下(和物質(zhì)相互作用時，能量、動量大和物質(zhì)相互作用時，能量、動量大)粒子性突出。

16、粒子性突出。太原理工大學物理系太原理工大學物理系描述光的描述光的波動性：波動性：波長波長 ，頻率，頻率 描述光的描述光的粒子性：粒子性：能量能量 E ，動量，動量P2.基本關系式基本關系式靜質(zhì)量靜質(zhì)量 00m動質(zhì)量動質(zhì)量 2/ cEm 2/ch光子動量光子動量 mcP chh但是，光即不是經(jīng)典的波，也不是經(jīng)典的粒子。但是，光即不是經(jīng)典的波，也不是經(jīng)典的粒子。光子質(zhì)量光子質(zhì)量太原理工大學物理系太原理工大學物理系 光作為電磁波是彌光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的，散在空間而連續(xù)的，光作為粒子在空間中光作為粒子在空間中是集中而分立的。如是集中而分立的。如何統(tǒng)一呢何統(tǒng)一呢 ? ?兩者統(tǒng)一于概率波兩者統(tǒng)

17、一于概率波理論。理論。3. 波動性和粒子性的統(tǒng)一波動性和粒子性的統(tǒng)一太原理工大學物理系太原理工大學物理系單縫衍射單縫衍射 光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比成正比, ,光子數(shù)光子數(shù) N I E02光子是分立的，光強分布可以是連續(xù)的。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，則該處的光強光子在某處出現(xiàn)的概率大，則該處的光強I 大；大；光子在某處出現(xiàn)的概率小，則該處的光強光子在某處出現(xiàn)的概率小，則該處的光強I 小；小；太原理工大學物理系太原理工大學物

18、理系五、康普頓效應五、康普頓效應康普頓康普頓吳有訓吳有訓 1923 1923年康普頓（及中國科學家吳有訓）研究了年康普頓（及中國科學家吳有訓）研究了x x射線通過物質(zhì)時向各方向散射的現(xiàn)象。進一步證射線通過物質(zhì)時向各方向散射的現(xiàn)象。進一步證實了愛因斯坦的光子概念。實了愛因斯坦的光子概念。太原理工大學物理系太原理工大學物理系1. 1. 實驗裝置實驗裝置 康普頓發(fā)現(xiàn)康普頓發(fā)現(xiàn), ,在散射光中除了有與入射光波長在散射光中除了有與入射光波長0 相同的射線之外，同時還出現(xiàn)一種波長相同的射線之外，同時還出現(xiàn)一種波長大于大于0 的射線的射線。這種改變波長的散射稱為這種改變波長的散射稱為康普頓效應。康普頓效應。

19、太原理工大學物理系太原理工大學物理系1 1） 原子質(zhì)量較小的物質(zhì)，波長原子質(zhì)量較小的物質(zhì)，波長 對應的譜線對應的譜線強度大，康普頓效應顯著；強度大，康普頓效應顯著；原子質(zhì)量大的物質(zhì)原子質(zhì)量大的物質(zhì)康普頓效應較弱。康普頓效應較弱。 0 49Be2964Cu減小。減小。I2.2.實驗結(jié)果實驗結(jié)果0I增大，增大，在同一散射角下，在同一散射角下，隨原子序數(shù)隨原子序數(shù)Z增大，增大，太原理工大學物理系太原理工大學物理系吳有訓吳有訓的康普頓效應散射實驗曲線的康普頓效應散射實驗曲線太原理工大學物理系太原理工大學物理系2）波長的改變量）波長的改變量 與散射角與散射角 有關，與散射物質(zhì)和入有關，與散射物質(zhì)和入射波

20、長無關。射波長無關。004590135（相對強度）（相對強度）（波長）（波長）I00太原理工大學物理系太原理工大學物理系2.2.經(jīng)典理論的解釋經(jīng)典理論的解釋 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(zhì)時，根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(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粒子作受迫振動頻率 = = 入射光頻率入射光頻率. .光的波動理光的波動理論無法解釋康普頓效應。論無法解釋康普頓效應。3. 3. 光子理論對康普頓效應的解釋光子理論對康普頓效應的解釋 康普頓效應進一步充實了愛因斯坦的光子概康普頓效應進一步充實了愛因斯坦的光子

21、概念念: :一定頻率的光子不僅具有確定的能量一定頻率的光子不僅具有確定的能量, ,而且還而且還有確定的動量有確定的動量, ,即即2mcE hPmcchh光子的動量：光子的動量：光子的能量：光子的能量：太原理工大學物理系太原理工大學物理系(1)(1)若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子量傳給電子, ,散射光子的能量減少，于是散射光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。的波長大于入射光的波長。(2) (2) 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子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將與整個原子交換能量, ,由于

22、光子質(zhì)量遠小于原由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎子質(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。不變，波長不變。 康普頓用光子概念成功地解釋了康普頓效康普頓用光子概念成功地解釋了康普頓效應應: :光子與靜止的自由電子發(fā)生彈性碰撞光子與靜止的自由電子發(fā)生彈性碰撞, ,碰碰撞過程中嚴格遵守能量、動量守恒定律。撞過程中嚴格遵守能量、動量守恒定律。 太原理工大學物理系太原理工大學物理系(3) (3) 在重原子中，內(nèi)層電子比輕原子多，而內(nèi)層在重原子中，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)，康普頓電子束縛很緊，所以原子量大的物質(zhì)，康普頓效應比原

23、子量小的弱。效應比原子量小的弱。(4(4）因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，）因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。所以波長改變和散射角有關。X 射線是由一些能量為射線是由一些能量為 =h 的光子組成，并且這的光子組成，并且這些光子與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，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。子看作是靜止的自由電子。4. 4. 康普頓效應的定量分析康普頓效應的定量分析太原理工大學物理系太原理工大學物理系碰撞前：碰撞前：光子能量為光子能量為h o，動量為動

24、量為h h o o/ /c；電子的能量電子的能量為為mo oc2 2，動量為零。動量為零。chP/00vmPchP/反沖電子反沖電子碰撞后：碰撞后：光子散射角為光子散射角為 ，光子能量為光子能量為h h ，動量為動量為h h / /c c；電子飛出的方向與入射光子的夾角為電子飛出的方向與入射光子的夾角為 ，它它的能量為的能量為 ，動量為，動量為 。2mcvm2201cmmv太原理工大學物理系太原理工大學物理系由由能量守恒能量守恒: :由由動量守恒動量守恒: :2200mchcmh00hhnnmvccnchvmXXeX0hh00nchmmYYY太原理工大學物理系太原理工大學物理系nchvmX00nchYX方向動量守恒方向動量守恒Y方向動量守恒方向動量守恒能量守恒能量守恒: :2200mchcmhcoscos0vmchchsinsinvmch太原理工大學物理系太原理工大學物理系最后得到：最后得到：此式說明：波長改變與散射物質(zhì)無