12－2 光的量子性.doc

§12-2 光的粒子性
一、光电效应的实验规律
1 光电效应(photoelectric effect)
·
°
°
°
°
°
°
·
·
K
A
GD
光
G
V
光电效应:当光照射到金属表面上时,电子从金属表面逸出的现象叫光电效应现象。
逸出的电子称光电子(photoelectron)。
2 实验装置
GD为光电管;
当A接正极、K接负极,光通过石英
窗口照射阴极K,光电子从阴极表面逸出。
光电子在电场加速下向阳极A运动,形成
光电流。
当K接正极、A接负极,光电子离开K后,
将受反向电场阻碍作用,当反向电压为U0时,
从Kkmax逸出的最大动能的电子刚好不能到达A,
i
im2
im1
I2
I1
(光强I2 > I1)
o
U
-Uc
电路中没有电流。此时U0称为截止电压。有
3 实验规律
1) 饱和光电流强度
IS µ 入射光强
当光电流达到饱和时,阴极 K上
逸出的光电子全部飞到了阳极A上。
单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光强成正比。
2)光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加,与入射光强无关。
当电压U = 0 时,光电流并不为零;
只有当两极间加了反向电压 U = -Uc < 0时,光电流才为零。
Uc :截止电压(cutoff voltage)
表明:从阴极逸出的光电子必有初动能。
1/2(m um2 )= eUc
设um为光电子的最大初速度,则有最大初动能

其中m和e分别为电子的质量和电量。
Uc
n
-Uo
o
显然,光电子的最大初动能与入射光强无关。
3) 截止电压Uc与入射光频率 n 呈线性关系

Uc =Kn - U0
K:普适常数(即直线斜率)
代入得

4)只有当入射光频率 n 大于一定的红限频率时,才会产生光电效应。
令

代入可得
当 n = n0 时,光电子的最大初动能为零
若 n < n0 时,则无论光强多大都没有光电子产生,不发生光电效应。
n0 称截止频率(cutoff frequency)或红限频率。
5)光电效应是瞬时发生的
只要入射光频率 n > n0,无论光多微弱,从光照射阴极到光电子逸出,驰豫时间不超过10- 9 s。
二、经典物理学所遇到的困难
按照光的经典电磁理论:光波的能量与频率无关,电子吸收的能量也与频率无关,更不存在截止频率;光波的能量分布在波面上,电子积累能量需要一段时间,光电效应不可能瞬时发生!
三、光子爱因斯坦方程
普朗克把能量量子化的概念只局限于物体内振子的发射或吸收上,并未涉及辐射在空间的传播。相反,当时认为在空间传播的电磁辐射,其能量仍是连续分布的。这显然是不协调的。
1 爱因斯坦光子假说
爱因斯坦指出了上述不协调性。1905年提出了光子假说:
1) 光是由光子组成的光子流,光的能量集中于一颗颗的光子上
e = hn
2) 光子的能量和其频率成正比

3) 光子具有“整体性”
一个光子只能“整个地”被电子吸收或放出。
2 对光电效应的解释
光照射到金属表面时,一个光子的能量可以立即被金属中的自由电子吸收。
但只有当入射光的频率足够高,以致每个光子的能量