大学物理光电效应.pptx

阳阳极极阴阴极极石英窗石英窗 光线经石英窗照在阴极上，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出便有电子逸出-光电子。光电子。光电子在电场作用下光电子在电场作用下形成光电流。形成光电流。1.1.光电效应实验光电效应实验二二、光电效应的实验光电效应的实验阳阳极极阴阴极极 将换向开关将换向开关反接反接，电场，电场反向反向，则光电子离开阴极后，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。将受反向电场阻碍作用。当当 K、A 间加反向电压，光电间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到子克服电场力作功，当电压达到某一值某一值 Ue时，时，光电流恰为光电流恰为0。Ue称遏止电压称遏止电压。遏止电压遏止电压UeUI0UaIH光强较强光强较强光强较弱光强较弱IH2.2.光电效应的实验结果光电效应的实验结果遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流(1)(1)光电流与光强的关系光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。(2)存在截止频率存在截止频率c-极限（红限）频率极限（红限）频率对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c 当当入射光频率入射光频率 c 时时，电子才能逸出金属表面，电子才能逸出金属表面当当入射光频率入射光频率 c时时，无论光强多大也，无论光强多大也无电子逸出无电子逸出金属表面。金属表面。从光开始照射到光电逸出所需时间从光开始照射到光电逸出所需时间 A时才能产生光电效应。时才能产生光电效应。光子打出光电子光子打出光电子是瞬时发生的是瞬时发生的。爱因斯坦方程爱因斯坦方程光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！例题例题 波长为波长为 4000 的单色光照射在逸出功为的单色光照射在逸出功为 2.0 的的金属材料上，求：光电子的初动能，截止电压，红限金属材料上，求：光电子的初动能，截止电压，红限频率频率解：解：由光电效应方程：由光电效应方程：截止电压截止电压红限频率红限频率2.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 波动性波动性 光子光子 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系（2）粒子性：粒子性：（光电效应等）（光电效应等）（1）波动性：波动性：光的干涉和衍射光的干涉和衍射光子质量光子质量 m=h/c2由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律效应的实验规律,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。3.3.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光光电效应电效应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方年证实了爱因斯坦方程，程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。康普顿康普顿(1891-1962)(Arthur Holly Compton)美国著名的物理学家、美国著名的物理学家、“康康普顿效应普顿效应”的发现者。的发现者。1920年起任圣路易斯华盛顿大学年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任，物理系主任，1923年起任芝年起任芝加哥大学物理系教授，加哥大学物理系教授，1927年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖15-3 康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，线，把这种现象称为把这种现象称为“康普顿效应康普顿效应”一、一、康普顿效应康普顿效应二二.康普顿散射的实验装置康普顿散射的实验装置晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长(1)(1)散射光中除有与入射线波长相同的，还有比入射散射光中除有与入射线波长相同的，还有比入射线波长大的波长线波长大的波长 称为称为电子电子的的Compton波长波长波波长长的的偏偏移移只只与与散散射射角角 有有关关，与与散散射射物物质质的性质无关。的性质无关。c=0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）实验结果实验结果 1.康普顿效应的主要特点是康普顿效应的主要特点是 (A)散射光的波长均比入射光的波长短，且随散射散射光的波长均比入射光的波长短，且随散射角增大而减小，但与散射体的性质无关角增大而减小，但与散射体的性质无关 (B)散射光的波长均与入射光的波长相同，与散射散射光的波长均与入射光的波长相同，与散射角、散射体性质无关角、散射体性质无关 (C)散射光中既有与入射光波长相同的，也有比入散射光中既有与入射光波长相同的，也有比入射光波长长的和比入射光波长短的射光波长长的和比入射光波长短的.这与散射体性质有这与散射体性质有关关 (D)散射光中有些波长比入射光的波长长，且随散散射光中有些波长比入射光的波长长，且随散射角增大而增大，有些散射光波长与入射光波长相同射角增大而增大，有些散射光波长与入射光波长相同这都与散射体的性质无关这都与散射体的性质无关答案答案D三、经典电磁理论三、经典电磁理论的困难的困难射光频率应等于入射光频率。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，根据经典电磁波理论，当电磁波通根据经典电磁波理论，当电磁波通X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰弹性碰撞撞 碰撞过程中能量与动量守恒碰撞过程中能量与动量守恒四四、康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释碰撞碰撞光子把部分能量传光子把部分能量传给电子给电子 光子的能量光子的能量 散散射射X射线的射线的频率频率，波长波长 波长波长1的的X射线射线：光子光子外层电子束缚能外层电子束缚能,室温下室温下 kT10-2eV，所以外层电子近似可看成是静止的。所以外层电子近似可看成是静止的。e自由电子自由电子(静止静止)m0h 光子光子:能量能量 动量动量 碰撞前碰撞前碰撞后碰撞后 能量能量 动量动量 电子电子:能量守恒能量守恒:h 0+m0 c2=h+m c2动量守恒动量守恒:0e m0解得解得=0.0243=2.43 10-3nm（理论值）（理论值）c=0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）散射线中还有与原波长相同的射线散射线中还有与原波长相同的射线光子还可与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生光子还可与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞碰撞 相当于光子和整个原子碰撞相当于光子和整个原子碰撞在弹性碰撞中在弹性碰撞中散射光子的能量散射光子的能量(波长波长)几乎不改变几乎不改变五五、康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义支持了支持了“光量子光量子”概念，进一步证实了概念，进一步证实了首次实验证实了爱因斯坦提出的首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有光量子具有动量动量”的假设：的假设：证证实实了了在在微微观观的的单单个个碰碰撞撞事事件件中中，动动量量和和能能量守恒定律仍然是成立的。量守恒定律仍然是成立的。康普顿获得康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。P=E/c=h/c=h/=h 19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线(0=5.62nm)为入射线为入射线,以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角()测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。（1897-19771897-1977）吴有训吴有训中国近代物理学奠基人中国近代物理学奠基人教育家教育家 中国近代物理学奠基人，科学家，教育家，中国近代物理学奠基人，科学家，教育家，1920年毕业于南京高等师范学校（今南京大学）。年毕业于南京高等师范学校（今南京大学）。1921年年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，1926年获博士学位。年获博士学位。1926年秋回国，先后在江西大学和中年秋回国，先后在江西大学和中央大学（今南京大学）任教，央大学（今南京大学）任教，1928年秋起任清华大学年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长（包括教授，物理系主任、理学院院长（包括1938年以后在年以后在西南联合大学的西南联合大学的8年）。年）。1945年年10月任中央大学校长。月任中央大学校长。1948年底任交通大学教授。年底任交通大学教授。1949年任校务委员会主任。年任校务委员会主任。1950年夏任中国科学院近代理研究所所长，同年年夏任中国科学院近代理研究所所长，同年12月月起任中国科学院副院长，。起任中国科学院副院长，。1949年秋年秋-1952年秋，任交年秋，任交通大学（暨西安交大与上海交大前身）校长。通大学（暨西安交大与上海交大前身）校长。例例:设有波长为设有波长为=1.00 10-10 m的的X射线的射线的光子光子与与自自由电子由电子作弹性碰撞作弹性碰撞.散射散射X射线的射线的散射角散射角=90,问问(1)散射波长与入射波长的改变量散射波长与入射波长的改变量为多少为多少?(2)反冲电反冲电子得到多少动能子得到多少动能?解解:(1)e静止能静止能h(2)反冲电子的动能反冲电子的动能代入数据得代入数据得Ek=4.71 10-17 J=295eV电子所得动能电子所得动能Ek即为光子能量的损失即为光子能量的损失.思考：什么散射角电子的反冲能量是最大的？思考：什么散射角电子的反冲能量是最大的？e静止能静止能h