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1、第十五单元 量子物理 Quantum Physics,第二讲 光电效应 Photoelectric Effect 光的波粒二象性 Wave-particle Dualism,爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家之一，1879年3月14日出生于德国乌尔姆。1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的3月到9月半年中，发表了 6 篇论文，在物理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献 创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论。爱因斯坦在1915年到1917年的3年中，还在 3 个不同领域做出了历史性的杰出贡献 建成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。爱因斯坦获得 1921
2、年的诺贝尔物理学奖,爱因斯坦:Einstein 现代时空的创始人 二十世纪的哥白尼,一、光电效应的实验规律,1、光电效应,光的照射下，金属及其化合物中的电子逸出金属表面的现象。,2、实验装置,在一个真空管内，装有阴极 K 和阳极 A，当单色光通过石英窗口射到 K 上时，金属板便释放光电子。如果在 K、A 两端加上电势差 U，则光电子飞向阳极，回路中形成光电流。,这些逸出的电子被称为:光电子,光电子运动形成的电流被称为:光电流,石英窗,光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光电效应。,一、光电效应的实验规律,说明被光照射的电极上，单位时间内释出的光电子数与入射光的强度成正比。,遏止(截止)
3、电势差 Uo,光电子的最大初动能:,1)在入射光频率不变时，饱和光电流强度 is 与入射光强 I 成正比；,3、实验规律,一、光电效应的实验规律,3、实验规律,2)光电子的最大初动能随入射光的频率线性增加，与光强无关；,遏止电势差与入射光的频率成线性关系，与光强无关；,一、光电效应的实验规律,3、实验规律,3)只有当入射光频率 大于一定的频率 0 时,才会产生光电效应；,0 称为截止频率或红限频率 Cut off Frequency,4)光电效应是瞬时发生的，,驰豫时间不超过10-9s,二、经典物理学所遇到的困难,按照光的经典电磁理论：,3、电子积累能量需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生。,
4、1、逸出光电子的初动能应随光强增大而增大，与频率无关；,2、电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量逸出，不应存在截止频率；,1、爱因斯坦光量子假说(1905),1）一束光是一束以光速 C 运动的粒子流，这些粒子称为光量子（光子）,2）对于频率为 的单色光，每个光子的能量:,三、爱因斯坦光电效应方程,W 为该金属材料的逸出功：电子用于克服金属表面势垒的束缚而做的功。,当频率为 光照射金属时，一个电子整体只吸收一个光子,根据能量守恒:,2、爱因斯坦光电效应方程,三、爱因斯坦光电效应方程,3、光子理论对光电效应的解释,当入射光的频率一定时，入射光越强则光子数N 就越多，单位时间产生的光电子数
5、就越多，饱合光电流就越大。,光的强度决定于单位时间内通过单位垂直面积的光子数N，,光子理论的解释:,三、爱因斯坦光电效应方程,3、光子理论对光电效应的解释,与频率成线性关系，而与光的强度无关,与实验比较有,由 和,光子理论的解释：,三、爱因斯坦光电效应方程,3、光子理论对光电效应的解释,光子理论的解释：,红限频率,3）若能发生光电效应必要求,4）一个光子是整体而被电子吸收，不需要时间积累，因此光电效应的弛豫时间很短。,四、光的波粒二象性,1、光子的能量、质量与动量,光子的能量：,光子的动量：,四、光的波粒二象性,2、光的“波粒二象性”,波长、频率是描写波动性的物理量，而质量、动量、能量是描写粒
6、子性的物理量。所以爱因斯坦对“光”同时赋予了波动性和粒子性。,1)在有些情况(干涉、衍射、偏振等)下，光显示出波动性;光在传播过程中显著地表现出它的波动性。,2)在另一些情况下(热辐射、光电效应等)，显示出粒子性;在与物质相互作用时，更多的表现为粒子性。,光具有“波粒二象性”,爱因斯坦获1921年诺贝尔物理奖。,光的波动性和粒子性是通过普朗克常数联系在一起的。,解：,例15-3:用波长 的光照射在金属铯上，可产生光电效应。已知铯的逸出功,求：1）此光光子的能量、质量和动量；2）光电子的最大初速度；3）铯的遏止电压。,1）,解：,例15-3:用波长 的光照射在金属铯上，可产生光电效应。已知铯的逸出功,求：1）此光光子的能量、质量和动量；2）光电子的最大初速度；3）铯的遏止电压。,2）,由爱因斯坦光电效应方程：,3）,解：,由爱因斯坦光电效应方程：,1）,解：,2）,3）,五、光电效应的应用,利用光电效应可以制造光电转换器，实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器广泛应用于光电开关、自动控制、自动计数、光控继电器、光电传感器、自动控制、自动计数、自动报警、夜视仪、红外成像仪、光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。,光电倍增管,同学们再见！,
