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大学物理光电效应 光的波粒二象性课件讲义

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物理学
第五版

15-2 光电效应 光的波粒二象性

一 光电效应实验的规律

1 实验装置及现象

2 实验规律

K

(1)光电流强度与

入射光强成正比.

i

im 2

I2

im 1

I1

V

o ? U 0

I2 ? I1
U

A A

第十五章 量子物理

1

物理学
第五版

15-2 光电效应 光的波粒二象性

(2)截止频率(红限)? 0
对某种金属来说,只有入射光的频率
大于某一频率?0时,电子才会从金属表面
逸出.
?0称为截止频率或红限频率.
截止频率与材料有关与光强无关.

第十五章 量子物理

2

物理学
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15-2 光电效应 光的波粒二象性

(3)遏止电势差 U 0

使光电流降为零

U0

所外加的反向电势差

称为遏止电势差 U 0 , 对不同的金属,U 0 的
量值不同.

O ?0

Cs Zn Pt
?

遏止电势差与入射光频率具有线性关系.

(4) 瞬时性

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

3 经典理论遇到的困难 红限问题
按经典理论,无论何种频率的入射光,只 要强度足够大,就能使电子逸出金属. 与实 验结果不符.
瞬时性问题 按经典理论,电子逸出金属所需的能量, 需要有一定的时间来积累, 与实验结果不符.

第十五章 量子物理

4

物理学
第五版

15-2 光电效应 光的波粒二象性

二 光子 爱因斯坦方程

1 “光量子”假设
光可看成是由光子组成的粒子流,单个
光子的能量为 ε ? h? .

2 爱因斯坦光电效应方程

h? ? 1 mv2 ?W
2

逸出功与 材料有关

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

几种金属逸出功的*似值(eV)

钠铝 锌铜 银铂 2.46 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35

理论解释:

光强越大,光子数越多,单位时间内
产生光电子数目越多,光电流越大. (? ?? 0 时)

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

遏止电势差
外加反向的遏止电 势差 U0 恰能阻碍光电 子到达阳极, 即

eU0

?

1 2

mv2

K

A

A V

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

频率限制: 只有 ? ?? 0时才会发生
W ? h? 0 ?0 ? W h(截止频率)
瞬时性:光子射至金属表面, 一个
光子的能量 h? 将一次性被一个电子吸收, 若 ? ? ? 0,电子立即逸出,无需时间积累.
爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光 电效应现象.

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

3 普朗克常数的测定

遏止电势差和入射

h? ? 1 mv2 ?W

光频率的关系

2

U0

h? ? eU0 ? W

U0

?

h?
e

?

W e

?
O ?0

?U0 ?? ? h e

h ? ?U 0 e
??

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

例1 一半径为 1.0?10?3 m 的薄圆片, 距光源1.0 m . 光源的功率为1W,发射波长 589 nm的单色光 . 假定光源向各个方向发射 的能量是相同的,试计算在单位时间内落在 薄圆片上的光子数 .

解 S ? π ? (1.0?10?3 m)2 ? π ?10?6 m2

E

?

P

S 4πr2

?

2.5?10?7

J ?s?1

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

E

?

P

S 4πr2

?

2.5?10?7

J ?s?1

N ? E ? E? ? 7.4?1011 s?1 h? hc

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

三 光电效应在*代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.

光控继电器示意图



放大器
接控制机构

光电倍增管

第十五章 量子物理

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15-2 光电效应 光的波粒二象性

四 光的波粒二象性

(1)波动性:光的干涉和衍射

(2)粒子性: E ? h?(光电效应等)

相对论能量和动量关系 E 2 ? p2c2 ? E02

光子

E0 ? 0 , E ? pc

第十五章 量子物理

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第五版

15-2 光电效应 光的波粒二象性

光子

E0 ? 0 , E ? pc

p ? E ? h? ? h c c?

描述光的 粒子性

E ? h?
p? h
?

描述光的 波动性

第十五章 量子物理

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