光电效应

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光电效应的实验规律

1. 光电效应现象: 照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。如图所示。

2. 光电子: 光电效应中发射出来的电子。

3. 光电效应的实验规律

(1)存在着饱和光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。

(2)存在着截止频率和遏止电压:当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应;遏止电压与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。入射光的频率越高,遏止电压越大。

(3)光电效应具有瞬时性:光电效应几乎是瞬时发生的,从光照射到产生光电流的时间不超过10-9s。

光电效应经典解释中的疑难

1. 不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可以获得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率。

2. 光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压应该与光的强弱有关。

3. 如果光很弱,按照经典电磁理论估算,电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量,这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。

这些结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释,这引发了物理学家们的认真思考。

爱因斯坦的光电效应理论

1. 光子: 不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为 ν 的光的能量子为 hν,h 为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。

2. 光电效应方程: 在光电效应中,金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 hν ,这些能量的一部分用来克服金属的逸出功 W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek,即hν = Ek + W0 或 Ek = hν – W0

3. 对光电效应方程的理解

(1)光电子的动能:方程 Ek = hν - W0 中,Ek 为光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值。

(2)方程实质:方程 Ek = hν - W0 实质上是能量守恒方程。

(3)产生光电效应的条件:方程 Ek = hν - W0 包含了产生光电效应的条件, 即要产生光电效应,须 Ek = hν - W0 > 0,亦即 hν > W0,V> W0 /h,而 Vc = W0 /h 就是金属的极限频率。

(4)截止频率 Vc:方程 Ek = hν - W0 表明,光电子的最大初动能Ek 与入射光的频率 ν 存在线性关系(如图所示),与光强有关。图中横轴上的截距是截止频率或极限频率,纵轴上的截距是逸出功的负值,图线的斜率为普朗克常量。

(5)逸出功:方程 Ek = hν - W0 中的逸出功 W0 为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量,不同金属的逸出功是不同的。

(6)光电效应规律

照射光强度决定着每秒钟光源发射的光子数

照射光频率决定着每个光子的能量 hv

每秒钟逸出的光电子数决定着光电流的强弱

光电子逸出后的最大初动能 mV²/2

光越强 → 光子数目多 → 发射光电子多 → 光电流大

光子频率高 → 光子能量大 → 产生光电子的最大初动能大

康普顿效应和光子的动量

1. 光的散射: 光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射。

2. 康普顿效应: 美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时,发现在散射的 X 射线中,除了与入射波长 λ0 相同的成分外,还有波长大于 λ0 的成分,这个现象称为康普顿效应。

3. 光子的动量

(1)表达式:p=h/λ

(2)说明:在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量变小,因此,有些光子散射后波长变长。

4. 光子说对康普顿效应的解释

(1)假定 X 射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。

(2)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。

5. 光电效应与康普顿效应的对比

(1)光电效应与康普顿效应都说明了光具有粒子性。

(2)波长较短的 X 射线或 γ 射线产生康普顿效应,波长较长的可见光或紫外光产生光电效应。

光的波粒二象性

1. 光学发展史

2. 光的波动性与粒子性的统一

(1)大量光子产生的效果显示出波动性,比如干涉、衍射现象;个别光子产生的效果显示出粒子性。

(2)光子和电子、质子等实物粒子一样,具有能量和动量。和其他物质相互作用时,粒子性起主要作用。

(3)光子的能量与其对应的频率成正比,而频率是波动性的特征物理量,因此 ε = hν 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。

(4)对不同频率的光,频率低、波长长的光,波动性特征显著;而频率高、波长短的光,粒子性特征显著。

(5)光在传播时体现出波动性,在与其他物质相互作用时体现出粒子性。

综上所述,光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体,相互间并不是独立的。

光的粒子性

高中物理知识点总结

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