2022-2023学年高二物理竞赛课件：光电效应 爱因斯坦光子假说

光电效应 爱因斯坦光子假说 光电效应 爱因斯坦光子假说 主要内容： 1. 光电效应的实验规律 2. 爱因斯坦光子假说 和光电效应方程 3. 光的波粒二象性 4. 光电效应的应用 理学院 物理系 陈强 瑞利 — 金斯公式 (1900年) 经典电磁理论和能量均分定理 维恩公式(1896年) (热力学和麦克斯韦分布率) 普朗克公式和能量量子化假设 MB  实验曲线 普朗克公式(1900年)（热力学方法） 普朗克常数 h = 6.626×10-34 J·s 为了从理论上得到这一公式，普朗克提出了能量量子化假设. 0 理学院 物理系 陈强 伏安特性曲线 光电效应的实验规律 1. 饱和电流 iS 2. 遏止电压 Ua iS :单位时间 阴极产生的光电子数… ∝ I (光强) iS1 iS2 I1 I2 -Ua U i I1>I2 K A A U i (实验装置原理图) 遏止电压 Ua与光强无关。 遏止电压 Ua与光的频率 成线性关系 （  一定） 0 理学院 物理系 陈强 当入射光的频率 小于某最小频率0时，无光电效应发生. 3. 截止频率 0 遏止电压与频率关系曲线 式中 K 是与材料无关的普适恒量。 4. 即时发射: 迟滞时间不超过 10-9s K A A U i (实验装置原理图) 理学院 物理系 陈强 经典物理无法解释光电效应实验规律 电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与 光强 I 有关) 逸出，不应存在红限 0 . 当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累. 只有光的频率   0 时，电子才会逸出. 逸出光电子的多少取决于光强 I . 光电子即时发射，滞后时间不超过 10–9 s. 总结 光电子最大初动能和光频率 成线性关系. 光电子最大初动能取决于光强，和光的频率  无关. 理学院 物理系 陈强 爱因斯坦光子假说 光电效应方程 光是光子流 ，每一光子能量为 h ，电子吸收一个光子 （A 为逸出功） 单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强 I = Nh . I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多. 电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累. 光频率 > A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出 (  o= A/h) . 结论 光电子最大初动能和光频率  成线性关系. 理学院 物理系 陈强 图为某种金属的光电效应实验曲线.试根据图中所给数据求出普朗克常量和该金属材料的逸出功. 例 解 和 对照实验曲线，普朗克常量为 该金属材料的逸出功为 由爱因斯坦光电效应方程 得 0 理学院 物理系 陈强 一铜球用绝缘线悬挂于真空中，被波长为 =150 nm 的光照射.已知铜的逸出功为 4.5eV. 铜球失去电子后带正电，电势升高，使束缚电子的势垒也升高，设铜球表面的电势为U ，逸出电子的速度为v ，铜的逸出功为A，爱因斯坦光电效应方程为 逸出电子的最大动能为零时，铜球电势达最高U max，有 解 例 铜球因失去电子而能达到的最高电势. 求 理学院 物理系 陈强 光子动量 光的波粒二象性 光子能量 光子质量 粒子性 波动性 光电效应的应用 光电管: 光电开关, 红外成像仪,光电传感器等 光电倍增管: (微光)夜视仪 理学院 物理系 陈强 测量波长在 200~1200 nm 极微弱光的功率 光电倍增管 理学院 物理系 陈强 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 1 氢 2 氦 H He 1 2 3 锂 4 铍 Li Be 2 2 1 2 5 硼 6 碳 10 氖 B C Ne 2 2 2 2 2 2 1 2 6 13 铝 14 硅 18 氩 Al Si Ar 2 2 2 2 2 2 6 6 6 2 2 2 1 2 6 19 钾 20 钙 K Ca 2 2 2 2 6 6 2 2 6 6 1 2 21 钪 Sc 2 2 6 2 6 1 2 4s 能级 低于 3d 能级 D = n + 0.7 l 部分原子的电子排列 理学院 物理系 陈强 $