爱因斯坦光电效应方程三

第十五单元量子物理QuantumPhysics第二讲光电效应PhotoelectricEffect光的波粒二象性Wave-particleDualism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。金属GAKV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。光强较强光强较弱频率相同饱和光电流饱和光电流一、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)电势差Uo光电子的最大初动能:2max21mkmEv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i0Uis2is1I1I2光强I2I1-UooeU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；νUo0Uo()CsNaCaomkeUmE2max21vνUEokmax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CutoffFrequency4)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。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:νh三、爱因斯坦光电效应方程Wmhνm221vW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，νNhI光子理论的解释:1)饱和光电流强度is与入射光强I成正比实验规律i0Uis2is1I1I2光强I2I1-UO三、爱因斯坦光电效应方程3、光子理论对光电效应的解释2)光电子的最大初动能随入射光的频率线性增加，而与入射光的强度无关。0UO()CsNaCa实验规律eWνehUO与频率成线性关系，而与光的强度无关oUehK与实验比较有由和Wmmhν221vomeUm221v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0212mmv0νhWν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。0WhνhWν0Wmhνm221v3)只有当入射光频率大于一定频率0时,才会产生光电效应。0称为截止频率或红限频率4)光电效应是瞬时发生的。驰豫时间不超过10-9s四、光的波粒二象性1、光子的能量、质量与动量nehp光子的能量：mcpcchν2chνhp光子的动量：hν2mc2chνm00m光子静止质量:爱因斯坦把光束视为粒子流，那么“光”就不仅具有能量，而且还应该有质量、动量！关于这些问题，爱因斯坦在1905年的第三篇论文即狭义相对论中全盘推出了。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。hphν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。eV9.1Wnm3.589h1）ch)J(104.3103.5891031063.61998342mc2cm)kg(108.3)103(104.3362819mhp)smkg(101.1103.5891063.6127934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。eV9.1Wnm3.589Wmhνm221v2）0221eUmmv由爱因斯坦光电效应方程：Whνmm221v)sm(108.21011.9)10602.19.1104.3(215311919mv3）emUm220vmWhν)(2mv)V(22.0解：,0WeUchhν,2102eUmmv由爱因斯坦光电效应方程：例15-4:以的光照射某金属表面，测得遏止电压为。现以的光照射该表面，求：1)此时的遏止电压；2)该金属的逸出功；3)该金属的红限频率。V19.001Unm5501nm190202UW0ν,212Wmhνmv的光，有：对于nm5501,101WeUch的光，有：对于nm0192,202WeUch1）)(1121020chcheUUV47.420U解：例15-4:以的光照射某金属表面，测得遏止电压为。现以的光照射该表面，求：1)此时的遏止电压；2)该金属的逸出功；3)该金属的红限频率。V19.001Unm5501nm190202UW0ν,101WeUch2）101eUchWhWν0Hz100.5140ν3）eV07.2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