四川省乐山外国语学校高中物理选修3-5课件：4.2光电效应与光的量子说 (3份打包)

2 光的粒子性 1887年赫兹在做电磁波实验时发现了光电效应。 什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。 一、光电效应 光线经石英窗照在阴极上时有电子逸出----光电子。 光电子在电场作用下形成光电流。当 A 加正向电压，电流增加，到一定值时达到饱和。光线越强，饱和光电流越大。 光电效应实验 阳极 阴极 二. 光电效应实验规律与经典理论矛盾之处 经典认为光强越大，电磁场的幅度越大，光电子的初动能也该大。但实验上光电子初动能只与频率有关。 2、存在截止频率0 ： 对于各种金属材料，都相应有一确定的截止频率 0 。 而经典理论认为有光线照射，电子就会吸收能量，时间足够长，就可以产生光电流。有无光电效应和光的照射时间有关，不应与频率有关。 只要频率高于0 ，既使光强很弱也有光电流；频率低于0 ，无论光线再强也没有光电流。 遏止电压 Uc 与光强无关，和入射光的频率成正比。 3、光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s。 经典理论认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。瞬时光电子发射违背经典理论的规律。 3.爱因斯坦的光量子假设 为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论。 1.光量子假设 光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。频率为 的光是由大量能量为  =h 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。 在光电效应实验中 ：电子吸收了光子的能量，一部分提供给电子逸出金属表面的功W，另一部分变为光电子的动能 Ek0 。由能量守恒可得出： 初动能及反向截止电压与 成正比，而与光强无关。 (1)由 得 2.爱因斯坦光电效应方程 3.光电效应的解释 式中：A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功； 为光电子的最大初动能。 (2)截止频率0 的解释: 当入射光频率 > 0 时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。 不同金属具有不同的截止频率。 （3）光电流正比于光强的解释 光强正比于单位时间流过单位面积 的光子数。光强越大，光子数越多。金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。 但是光子的能量小于逸出功时无光电流。 入射光频率低于 0 时，光子能量小于( h <W) 逸出功，无光电子产生。 （4）光电效应瞬时性的解释 电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。 例1：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率0 。 解： λ=196nm 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。 4.光电效应理论的验证 由相对论光子的质能关系 光子的质量 5.光子的质量、能量和动量 由相对论质速关系 有 所以，光子的静止质量为零。 光子的能量就是动能。 由狭义相对论能量和动量的关系式 光子的能量和动量的关系式为： 光子的动量： 例：求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。 解： 能量 动量 质量 1.光的散射 光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。 2.康普顿效应 1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长 0 和散射物质都无关。 这种波长改变的散射称为康普顿效应。 经典理论无法解释康普顿效应。经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有 Δλ 存在的实验规律。 二、康普顿效应 X 射线是由一些能量为 =h 的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞， 3.康普顿效应的光量子理论解释 可见，康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后，电子获得一部分能量，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。 康普顿散射进一步证实了光子理论的正确性，还证明了在微观领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。 X-ray 光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。 光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。 光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。 光子能量和动量为 上两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写波动性的 、