Optics第八章光的量子性和激光第二节光的波粒二象性和光电探测
第八章 光的量子性和激光 第二节 光的波粒二象性和光电探测
Optics8.2光的波粒二象性和光电探测8.2.1光电效应及其解释8.2.2康普顿效应8.2.3光的波粒二象性*8.2.4光电效应的应用
8.2 光的波粒二象性和光电探测 8.2.1 光电效应及其解释 8.2.2 康普顿效应 8.2.3 光的波粒二象性 * 8.2.4 光电效应的应用
Optics8.2.1光电效应及其解释光电效应的发现，在光的照射下，材料的电性质发生变化，1839年，AlexandreEdmondBecquerel注意到了在导电液体中的电极，受到光的照射，会产生电流。：1873年，英国的电力工程师WilloughbySmith（1828~1891）也发现硒在光照下会成为电的导体。现代意义上的光电效应是赫兹在1887年进行电磁波实验过程中发现的
8.2.1 光电效应及其解释 光电效应的发现 • 在光的照射下，材料的电性质发生变化 • 1839年，Alexandre Edmond Becquerel注意到了在导电液体 中的电极，受到光的照射，会产生电流。 • 1873年，英国的电力工程师Willoughby Smith（1828~1891） 也发现硒在光照下会成为电的导体。 • 现代意义上的光电效应是赫兹在1887年进行电磁波实验过 程中发现的
Optics8.2.1光电效应及其解释赫兹对光电效应的实验，一对电火花隙放在一个带有玻璃观察窗的暗盒中，放电时，两极间火花的长度变短了，将玻璃板移开之后，电极间的火花又变长了。用石英代替普通玻璃板后，火花的长度则没有缩短。，赫兹认为，紫外辐射会导致电荷在电火花隙间跳跃，即会导致电荷产生
8.2.1 光电效应及其解释 赫兹对光电效应的实验 • 一对电火花隙放在一个带有玻璃观察窗的暗 盒中 • 放电时，两极间火花的长度变短了，将玻璃 板移开之后，电极间的火花又变长了。用石 英代替普通玻璃板后，火花的长度则没有缩 短。 • 赫兹认为，紫外辐射会导致电荷在电火花隙 间跳跃，即会导致电荷产生 － ＋
Optics8.2.1光电效应及其解释1899年汤姆孙用克鲁克丝管观察光电效应光照在金属上，使电子从金属中脱出的现象。incomingphotonstarget(anode)+emittedphotoelectronsphotocathodeadjust retarding potentialtopreventphotoelectronsfrom reachingtargetvoltage source干
8.2.1 光电效应及其解释 1899年汤姆孙用克鲁克丝管观察光电效应 光照在金属上，使电子从金属中脱出的现象
Optics8.2.1光电效应及其解释1光电效应的实验现象光强较强饱和电流1s21、单位时间内从阴极逸出的光电子数(光电流)与入射光的强度成正光强较弱1比。当光电管电压为零时，光电遏止电压流并不为零。2、光电子的初动能与入射光频率成正比，与入射光的强度无关。U遏止电压的存在说明光电子具有0U.初动能，其关系为：光电效应伏安特性曲线1-mv? =leU.2当反向电压加至U。时光电流为零，称U.为遏止电压
8.2.1 光电效应及其解释 光电效应的实验现象 饱 和 电 流 光 强 较 强 光 强 较 弱 遏 止 电 压 I Ua s1 I s2 I O U 1、单位时间内从阴极逸出的光电 子数(光电流)与入射光的强度成正 比。当光电管电压为零时，光电 流并不为零。 2、光电子的初动能与入射光频率 成正比，与入射光的强度无关。 遏止电压的存在说明光电子具有 初动能，其关系为： 光电效应伏安特性曲线 当反向电压加至Ua 时光电流为零， 称Ua为遏止电压
Optics8.2.1光电效应及其解释光电效应的实验现象-光-强较强-触和电流3、存在截止频率（红限）对于给定的金属，当照射光频率v小光强较弱遇止电压于某一数值v。（称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效应。Vo被称为某种金属的红限频率（或截止频率），v.和金属有关，不同的金属vU不同。0U.4、光电效应瞬时响应性质实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光照射到电子出现只需要10-9s的时间。结论：光电效应的产生几乎无需时间的累积
8.2.1 光电效应及其解释 光电效应的实验现象 饱 和 电 流 光 强 较 强 光 强 较 弱 遏 止 电 压 I Ua s1 I s2 I O U 3、存在截止频率（红限） 对于给定的金属，当照射光频率小 于某一数值0（称为红限）时，无论 照射光多强都不会产生光电效应。0 被称为某种金属的红限频率（或截止 频率）,0和金属有关，不同的金属0 不同。 4、光电效应瞬时响应性质 实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光照射到电子出现只需要 10-9 s 的时间。 结论：光电效应的产生几乎无需时间的累积
Optics8.2.1光电效应及其解释光电效应的实验现象与经典理论的矛盾（1）按照经典电磁理论，光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不是决定于光的频率。（2）经典理论认为，只要光照射时间足够长，电子的能量会充分累积，最后一定能产生电子。因此无法解释红限的存在，（3）电子需要能量累积过程，一定会存在一个滞后的时间。对于弱光来说，需要积累的时间可能达到小时量级，因此无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累的现象
8.2.1 光电效应及其解释 光电效应的实验现象与经典理论的矛盾 （1）按照经典电磁理论，光电子的初动能应决定于入射光的 光强，而不是决定于光的频率。 （2）经典理论认为，只要光照射时间足够长，电子的能量会 充分累积，最后一定能产生电子。因此无法解释红限的存在。 （3）电子需要能量累积过程，一定会存在一个滞后的时间。 对于弱光来说，需要积累的时间可能达到小时量级，因此无法 解释光电效应的产生几乎无须时间的积累的现象
Optics8.2.1光电效应及其解释光电效应的解释爱因斯坦的光子假说《关于光的产生和转化的一个启发性观点》1905光子是以光速c运动的微粒流，把这些微粒流称为光量子（光子），每个光子的能量为：= hvh一普朗克常数6.626×10-34J·sV一光子的频率金属中的自由电子吸收一个光子能量hv之后，一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功A，另一部分转化为光电子的动能，即：hv ==mu2 + A爱因斯坦光电效应方程2几种金属的逸出功逸出功与金属钠铂铝锌铜银材料有关2.284.084.314.704.736.35A/eV
8.2.1 光电效应及其解释 光电效应的解释 爱因斯坦的光子假说 光子是以光速 c 运动的微粒流，把这些微粒流称为光量子（光子）, 每个光子的能量为： h 金属中的自由电子吸收一个光子能量ℎ𝜈之后，一部分用于电子从金 属表面逸出所需的逸出功 A，另一部分转化为光电子的动能，即： h — 普朗克常数 6.626 × 10−34 J ∙ s 𝜈 — 光子的频率 1 2 2 h m A ——爱因斯坦光电效应方程 逸出功与 材料有关 金属 钠 铝 锌 铜 银 铂 A/eV 2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35 几种金属的逸出功 《关于光的产生和转化的一个启发性观点》1905
Optics8.2.1光电效应及其解释光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释（1）光强大，单位体积光子数多，单位时间内释放的光电子也多，所以光电流也大（2）电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积爱因斯坦（3）从光电方程可以看出光电子初动能和照射(1879-1955)光的频率成线性关系。1921诺贝尔物理学奖“在昨天举行的会议上，皇家科hv =--mw学院决定授予您去年度（1921）2的诺贝尔物理学奖，这是考虑到（4）从光电效应方程中，当初动能为零时，您在理论物理学尤其是您对光电可得到红限频率：效应定律的发现，但没有考虑您的相对论和引力场论在未来获得证实以后将应有的价值。”一诺h贝尔委员会的来信
8.2.1 光电效应及其解释 光电效应的解释 爱因斯坦对光电效应的解释 1 2 2 h m A （1）光强大，单位体积光子数多，单位时间 内释放的光电子也多，所以光电流也大。 （2）电子只要吸收一个光子就可以从金属表 面逸出，所以无须时间的累积。 （3）从光电方程可以看出光电子初动能和照射 光的频率成线性关系。 （4）从光电效应方程中，当初动能为零时， 可得到红限频率： 0 A h 爱因斯坦 (1879-1955) 1921诺贝尔物理学奖 “在昨天举行的会议上，皇家科 学院决定授予您去年度（1921） 的诺贝尔物理学奖，这是考虑到 您在理论物理学尤其是您对光电 效应定律的发现，但没有考虑您 的相对论和引力场论在未来获得 证实以后将应有的价值。”—诺 贝尔委员会的来信