大學(xué)物理光電效應(yīng).ppt

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當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電效應(yīng)。逸出的電子稱(chēng)為光電子。,15-2 光電效應(yīng) 愛(ài)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(chǎng)作用下 形成光電流。,1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn),,,將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。,當(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值 Ue時(shí)，光電流恰為0。 Ue稱(chēng)遏止電壓。,遏止電壓Ue,,,IH,光強(qiáng)較強(qiáng),光強(qiáng)較弱,,,IH,2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,遏 止 電 壓,飽 和 電 流,(1)光電流與光強(qiáng)的關(guān)系,飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。,(2)存在截止頻率?c ----極限（紅限）頻率,對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率?c,當(dāng)入射光頻率? ?c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面,當(dāng)入射光頻率? ?c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。,從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間10-9s。,(3)光電效應(yīng)是瞬時(shí)的,三、經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。,按照經(jīng)典波動(dòng)理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)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(shuō)，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)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(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流。,光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。,為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)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(yùn)動(dòng)。 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h?的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此.,四.愛(ài)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?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：,1.愛(ài)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(chēng)為逸出功；,為光電子的最大初動(dòng)能。,當(dāng) ?＜A/h時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。,紅限頻率,光強(qiáng)I? ? 光子數(shù)N ? ? 打出光電子多?光電流大,h? A時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。,光子打出光電子是瞬時(shí)發(fā)生的。,,愛(ài)因斯坦方程,光量子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實(shí)驗(yàn)規(guī)律！,例題,波長(zhǎng)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(dòng)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(duì)論能量和動(dòng)量關(guān)系,（2）粒子性： （光電效應(yīng)等）,（1）波動(dòng)性： 光的干涉和衍射,光子質(zhì)量 m=h?/c2,由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,3.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證,美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)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(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。,密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。,康普頓(1891-1962) (Arthur Holly Compton) 美國(guó)著名的物理學(xué)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(xué)物理系主任，1923年起任芝加哥大學(xué)物理系教授，1927年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),15-3 康普頓效應(yīng),1923年康普頓在做 X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“康普頓效應(yīng)”,一、康普頓效應(yīng),二.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置,晶體,光闌,探 測(cè) 器,?0,散射波長(zhǎng)?,(1) 散射光中除有與入射線波長(zhǎng)相同的，還有比入射線波長(zhǎng)大的波長(zhǎng),稱(chēng)為電子的Compton波長(zhǎng),波長(zhǎng)的偏移只與散射角? 有關(guān)，與散射物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。,?c = 0.0241=2.41?10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,1.康普頓效應(yīng)的主要特點(diǎn)是 (A) 散射光的波長(zhǎng)均比入射光的波長(zhǎng)短，且隨散射角增大而減小，但與散射體的性質(zhì)無(wú)關(guān)． (B) 散射光的波長(zhǎng)均與入射光的波長(zhǎng)相同，與散射角、散射體性質(zhì)無(wú)關(guān)． (C) 散射光中既有與入射光波長(zhǎng)相同的，也有比入射光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和比入射光波長(zhǎng)短的.這與散射體性質(zhì)有關(guān)． (D) 散射光中有些波長(zhǎng)比入射光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，且隨散射角增大而增大，有些散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)相同．這都與散射體的性質(zhì)無(wú)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(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，,根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通,X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞,碰撞過(guò)程中能量與動(dòng)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(zhǎng)?,波長(zhǎng)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(dòng)量,碰撞前,碰撞后,能量 動(dòng)量,電子:,能量守恒: h?0+ m0 c2= h?+ m c2,動(dòng)量守恒:,0,解得,=0.0243 = 2 .43?10-3nm（理論值）,?c = 0.0241=2.41?10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）,→散射線中還有與原波長(zhǎng)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(dāng)于光子和整個(gè)原子碰撞,→在彈性碰撞中散射光子的能量(波長(zhǎng))幾乎不改變,五、康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義,支持了“光量子”概念，進(jìn)一步證實(shí)了,首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦提出的“光量子具有動(dòng)量”的假設(shè)：,證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)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(xué)獎(jiǎng)。,P = E/c = h?/c = h/?,? = h?,1925—1926年，吳有訓(xùn)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(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn),1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.,對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了 重要貢獻(xiàn)。,在同一散射角( )測(cè)量 各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作 了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。,中國(guó)近代物理學(xué)奠基人 教育家,中國(guó)近代物理學(xué)奠基人，科學(xué)家，教育家，1920年畢業(yè)于南京高等師范學(xué)校（今南京大學(xué)）。1921年赴美入芝加哥大學(xué)，隨康普頓從事物理學(xué)研究，1926年獲博士學(xué)位。1926年秋回國(guó)，先后在江西大學(xué)和中央大學(xué)（今南京大學(xué)）任教，1928年秋起任清華大學(xué)教授，物理系主任、理學(xué)院院長(zhǎng)（包括1938年以后在西南聯(lián)合大學(xué)的8年）。1945年10月任中央大學(xué)校長(zhǎng)。1948年底任交通大學(xué)教授。1949年任校務(wù)委員會(huì)主任。1950年夏任中國(guó)科學(xué)院近代理研究所所長(zhǎng)，同年12月起任中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)，。1949年秋-1952年秋，任交通大學(xué)（暨西安交大與上海交大前身）校長(zhǎng)。,光與物質(zhì)的相互作用時(shí)可能會(huì)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(jiàn)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(zhǎng)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(wèn)(1)散射波長(zhǎng)與入射波長(zhǎng)的改變量??為多少?(2)反沖電子得到多少動(dòng)能?,解:(1),(2)反沖電子的動(dòng)能,代入數(shù)據(jù)得Ek=4.71?10-17 J =295eV,電子所得動(dòng)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？,