第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版一一 光電效應實驗的規(guī)律光電效應實驗的規(guī)律VA（1）實驗裝置實驗裝置 光照射至金屬表面光照射至金屬表面,電子從金電子從金屬表面逸出屬表面逸出,稱其為稱其為光電子光電子.（2）實驗規(guī)律實驗規(guī)律 截止頻率（紅限）截止頻率（紅限）幾種幾種純金屬的純金屬的截止截止頻率頻率 僅當僅當 才發(fā)生光電效應，才發(fā)生光電效應，截止頻率與截止頻率與材料有關材料有關與與光強無關光強無關.金屬金屬截止頻率截止頻率4.545 4.398.065 11.53銫銫 鈉鈉 鋅鋅 銥銥 鉑鉑 19.291第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 電流飽和值電流飽和值 遏止電壓遏止電壓 瞬時性瞬時性 遏止電勢差與入射光頻率遏止電勢差與入射光頻率具有線性關系具有線性關系.當光照射到金屬表面上時，當光照射到金屬表面上時，幾乎立即就有光電子逸出幾乎立即就有光電子逸出（光強）（光強）遏止電壓遏止電壓 與光強無關與光強無關銫銫 鋅鋅 鉑鉑2第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬一定的時間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止表面為止.與實驗結果不符與實驗結果不符.（3 3）經(jīng)典理論遇到的困難經(jīng)典理論遇到的困難 紅限問題紅限問題 瞬時性問題瞬時性問題 按經(jīng)典理論按經(jīng)典理論,無論何種頻率的入射光無論何種頻率的入射光,只要其強度只要其強度足夠大，就能使電子具有足夠的能量逸出金屬足夠大，就能使電子具有足夠的能量逸出金屬.與實與實驗結果不符驗結果不符.3第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版二二 光子光子 愛因斯坦方程愛因斯坦方程（1）“光量子光量子”假設假設光子的能量為光子的能量為（2）解釋實驗解釋實驗愛因斯坦方程愛因斯坦方程 逸出功與逸出功與材料有關材料有關 對同一種金屬，對同一種金屬，一定，一定，與光強無關，與光強無關幾種金屬的逸出功幾種金屬的逸出功金屬金屬鈉鈉 鋁鋁 鋅鋅 銅銅 銀銀 鉑鉑1.90 2.462.50 3.603.32 3.574.10 4.504.56 4.736.304第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 逸出功逸出功愛因斯坦方程愛因斯坦方程產生光電效應條件條件產生光電效應條件條件（截止頻率）（截止頻率）光強越大，光子數(shù)目越多，即單位時間內產生光電光強越大，光子數(shù)目越多，即單位時間內產生光電 子數(shù)目越多，光電流越大子數(shù)目越多，光電流越大.（時）時）光子射至金屬表面，一個光子攜帶的能量光子射至金屬表面，一個光子攜帶的能量 將一將一 次性被一個電子吸收，若次性被一個電子吸收，若 ，電子立即逸出，電子立即逸出，無需時間積累（無需時間積累（瞬時瞬時性）性）.5第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版（3）的測定的測定愛因斯坦方程愛因斯坦方程遏止電勢差和入射光遏止電勢差和入射光頻率的關系頻率的關系6第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 例例 設有一半徑為設有一半徑為 的薄圓片，它距的薄圓片，它距光源光源1.0m.此光源的功率為此光源的功率為1W，發(fā)射波長為發(fā)射波長為589nm的單色光的單色光.假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數(shù)的，試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數(shù).解解7第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版*三三 光電效應在近代技術中的應用光電效應在近代技術中的應用光控繼電器、自動控制、光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等自動計數(shù)、自動報警等.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8第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版四四 光的波粒二象性光的波粒二象性描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波動性波動性 光子光子 相對論能量和動量關系相對論能量和動量關系（2 2）粒子性：粒子性：（和物質相互作用時）（和物質相互作用時）（1 1）波動性：光的干涉和衍射（傳播時）波動性：光的干涉和衍射（傳播時）9第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版解解（1）（2）（3）例例 波長為波長為 450nm 的單色光射到純鈉的表面上的單色光射到純鈉的表面上.求（求（1）這種光的光子能量和動量；這種光的光子能量和動量；（2）光電子逸出鈉光電子逸出鈉()表面時的動能；表面時的動能；（3）若光子的能量為若光子的能量為2.40eV，其波長為多少？其波長為多少？10第十五章第十五章 量子物理量子物理物理學物理學第五版第五版本章目錄本章目錄選擇進入下一節(jié)：選擇進入下一節(jié)：15-1 15-1 黑體輻射黑體輻射 普朗克能量子假設普朗克能量子假設15-4 15-4 氫原子的玻爾理論氫原子的玻爾理論15-3 15-3 康普頓效應康普頓效應15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性*1515-5 -5 弗蘭克弗蘭克-赫茲實驗赫茲實驗15-6 15-6 德布羅意波德布羅意波 實物粒子的二象性實物粒子的二象性11第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版一一 光電效應實驗的規(guī)律光電效應實驗的規(guī)律VA 1 實驗裝置及現(xiàn)象實驗裝置及現(xiàn)象 2 實驗規(guī)律實驗規(guī)律 （1）飽和電流飽和電流 光電流強度與入射光強成正比光電流強度與入射光強成正比（入射光頻率不變時）（入射光頻率不變時）.光強光強Iim 光電效應實驗更加確立和光電效應實驗更加確立和發(fā)展了普發(fā)展了普朗克量子的假設朗克量子的假設I：入射光強入射光強im：飽和光電流飽和光電流U0：遏止電勢差遏止電勢差12第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 當當入射光強一定入射光強一定，改變入射光的頻率，改變入射光的頻率，遏止電勢遏止電勢差與入射光頻率具有線性關系差與入射光頻率具有線性關系.使光電流降為零所外加使光電流降為零所外加的反向電勢差稱為的反向電勢差稱為遏止電勢遏止電勢差差 ，對不同的金屬對不同的金屬，的的量值不同量值不同.（2）遏止電勢差遏止電勢差O 遏止電勢差的存在，表明光電子從金屬表面逸出時，遏止電勢差的存在，表明光電子從金屬表面逸出時，有一最大初速，光電子初動能的最大為：有一最大初速，光電子初動能的最大為：13第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版（3）截止頻率（紅限）截止頻率（紅限）截止頻率與截止頻率與材料有關材料有關與與光強無關光強無關.對某種金屬來說，只有入對某種金屬來說，只有入射光的頻率大于某一頻率射光的頻率大于某一頻率 0時，時，電子才會從金屬表面逸出電子才會從金屬表面逸出.（4）瞬時性瞬時性不論光強多弱，光電效應都是瞬時發(fā)生的不論光強多弱，光電效應都是瞬時發(fā)生的.光電流產生的光電流產生的馳豫時間不超過馳豫時間不超過1010-9-9s.0稱為稱為截止頻率截止頻率或或紅限頻率紅限頻率.14第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 按經(jīng)典理論按經(jīng)典理論,陰極電子陰極電子逸出金屬所需的能量，需要有一逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累定的時間來積累,因此，因此，光電效應光電效應不可能瞬時發(fā)生！不可能瞬時發(fā)生！3 經(jīng)典理論遇到的困難經(jīng)典理論遇到的困難 紅限問題紅限問題 瞬時性問題瞬時性問題 按光的波動說按光的波動說,如果光強足夠供應從金屬釋出光電子需如果光強足夠供應從金屬釋出光電子需要的能量，那么光電效應對各種頻率的光都會發(fā)生，但實要的能量，那么光電效應對各種頻率的光都會發(fā)生，但實驗事實是每種金屬都存在一個紅限頻率，入射光頻率小于驗事實是每種金屬都存在一個紅限頻率，入射光頻率小于紅限頻率時，紅限頻率時，無論無論光強多光強多大也不能使電子逸出金屬，因此大也不能使電子逸出金屬，因此經(jīng)典理論經(jīng)典理論與實驗結果不符與實驗結果不符.初動能問題初動能問題 按光的波動說按光的波動說,金屬電子金屬電子吸收的入射光的能量，逸出時的吸收的入射光的能量，逸出時的初動能與光振動振幅（決定光的強度）有關，這初動能與光振動振幅（決定光的強度）有關，這與實驗中最與實驗中最大大初動能只與初動能只與入射光的頻率有關結果不符入射光的頻率有關結果不符.15第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版二二 光子光子 愛因斯坦方程愛因斯坦方程1 光量子假設光量子假設光可看成是由光子組成的粒子流，單個光子的能量為光可看成是由光子組成的粒子流，單個光子的能量為2 愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程 逸出功逸出功,與與材料有關材料有關幾種金屬逸出功的近似值幾種金屬逸出功的近似值(eV)鈉鈉 鋁鋁 鋅鋅 銅銅 銀銀 鉑鉑2.46 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35 光電子初動能光電子初動能入射光子入射光子能量：能量：16第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 遏止電勢差遏止電勢差VA 外加外加反向反向的遏止電的遏止電勢差勢差 恰能阻礙光電恰能阻礙光電子到達陽極子到達陽極,即即量子理論解釋量子理論解釋:光電流光電流 光強越大，光子數(shù)越多，單位時間內產生光電子數(shù)目光強越大，光子數(shù)越多，單位時間內產生光電子數(shù)目越多越多,光電流越大光電流越大 光電流光電流光強光強17第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 愛因斯坦的光子理論圓滿地解釋了光電效應現(xiàn)象愛因斯坦的光子理論圓滿地解釋了光電效應現(xiàn)象!（截止頻率截止頻率）頻率限制頻率限制:只有只有時光電子才會產生時光電子才會產生 瞬時性：瞬時性：光子射至金屬表面，光子射至金屬表面，一個光子的能量一個光子的能量 將一次將一次性被一個電子吸收，若性被一個電子吸收，若 ，電子立即逸出，無，電子立即逸出，無需時間積累需時間積累.逸出功逸出功:18第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版3 普朗克常數(shù)的測定普朗克常數(shù)的測定(密立根密立根)遏止電勢差和入射光遏止電勢差和入射光頻率的關系頻率的關系O 電子電量代入電子電量代入通過直線的斜率得通過直線的斜率得:根據(jù)根據(jù)愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程不同金屬材料給出的直線斜率是相同的不同金屬材料給出的直線斜率是相同的!19第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版光電倍增管光電倍增管放大器放大器接控制機構接控制機構光光光控繼電器示意圖光控繼電器示意圖三三 光電效應在近代技術中的應用光電效應在近代技術中的應用光控繼電器、自動控制、光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等自動計數(shù)、自動報警等.20第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版四四 光的波粒二象性光的波粒二象性 相對論能量和動量關系相對論能量和動量關系（2）粒子性：粒子性：（光電效應等）（光電效應等）（1）波動性：光的干涉和衍射波動性：光的干涉和衍射 光子光子 描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波動性波動性21第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版1 金屬的光電效應的紅限依賴于金屬的光電效應的紅限依賴于 (A)入射光的頻率入射光的頻率 (B)入射光的強度入射光的強度 (C)金屬的逸出功金屬的逸出功 (D)入射光的頻率和金屬的逸出功入射光的頻率和金屬的逸出功解解問題練習問題練習22第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版2 已知一單色光照射在鈉表面上，測得光電子的已知一單色光照射在鈉表面上，測得光電子的最大動能為最大動能為1.2 eV，而鈉的紅限波長為，而鈉的紅限波長為540 nm，求求:入射光的波長入射光的波長.解：根據(jù)解：根據(jù)愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程=355 nm23第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版第十五章第十五章 量子物理量子物理(1)1.閱讀閱讀:P301P3202.書面作業(yè)書面作業(yè):P390習題：習題：15-9,15-10,15-11,15-123.預習預習:P320P33924第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 3 圖示為光電效應的實驗曲線圖示為光電效應的實驗曲線:(1)求證對不同金屬材料求證對不同金屬材料,AB線的斜率相同線的斜率相同.(2)由圖上數(shù)據(jù)求出普朗克常數(shù)由圖上數(shù)據(jù)求出普朗克常數(shù)2U0/VB A0 5 10v/1014 Hz 25第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版解解(1)根據(jù)根據(jù)愛因斯坦光電效應方程，得到愛因斯坦光電效應方程，得到(2)2U0/VB A0 5 10v/1014 Hz 與與材料材料無關無關26第十五章第十五章 量子物理量子物理15-2 15-2 光電效應光電效應 光的波粒二象性光的波粒二象性物理學物理學第五版第五版 例例1 一半徑為一半徑為 的薄圓片，距光的薄圓片，距光源源1.0 m.光源的功率為光源的功率為1W，發(fā)射波長發(fā)射波長589 nm的單的單色光色光.假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數(shù)試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數(shù).解解27