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4.2光電效應(yīng)
授課人：瘋狂物理人
第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性
人教版（2019）
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
光電效應(yīng)解釋中的經(jīng)典疑難
愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)的理論解釋
康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量
光的波粒二象性
目 錄
CONTENTS
光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)
把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，并使鋅板帶負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開(kāi)。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗(yàn)電器指針的變化。
這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？
光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
01
赫茲的實(shí)驗(yàn)
赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光具有粒子性
實(shí)驗(yàn)展示了光與金屬相互作用產(chǎn)生電子的現(xiàn)象
為愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置電路圖
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置電路圖
⑴陰極K和陽(yáng)極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極
⑵K在受到光照時(shí)能夠發(fā)射光電子
⑶陽(yáng)極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，形成光電流，光電流越大，說(shuō)明光電效應(yīng)越強(qiáng)。
裝置介紹
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
當(dāng)入射光頻率減小到某一數(shù)值 c 時(shí)，A、K極板間不加反向電壓，電流也為0。此時(shí)的光的頻率 c即為截止頻率！
存在截止頻率
01
入射光頻率低于截止頻率時(shí)，不光光照多強(qiáng)，金屬都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)
光電效應(yīng)的發(fā)生條件
03
不同金屬的截止頻率不同，截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。
截止頻率影響因素
02
金屬要發(fā)生光電效應(yīng)與入射光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，只與頻率有關(guān)。
與光強(qiáng)是否有關(guān)
04
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
截止頻率
光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓
遏止電壓
01
遏止電壓與最大初動(dòng)能關(guān)系
03
頻率不同遏止電壓便不同
遏止電壓影響因素
02
金屬要發(fā)生光電效應(yīng)與入射光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，只與頻率有關(guān)。
與光強(qiáng)是否有關(guān)
04
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
遏止電壓
光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值
存在飽和光電流
01
在光的顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多
飽和光電流
影響因素
02
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
飽和光電流
光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的不需要時(shí)間的積累
光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難
02
光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
02
光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難
金屬中原子外層的電子會(huì)脫離原子而做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。但電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢？
這表明金屬表面層內(nèi)存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。
幾種金屬的截止頻率和逸出功
逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。
UC與應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)
光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。
光電效應(yīng)需要時(shí)間積累
如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生光電流的時(shí)間。
不存在極限頻率
不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。
光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難
愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論
03
光電效應(yīng)的量子化
光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來(lái)被稱為光子。
光電效應(yīng)方程
金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hv，一部分大小為W0的能量被電子用來(lái)脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動(dòng)能。
光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋
光電效應(yīng)方程進(jìn)行解釋
01
02
03
愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論
eUc=hv-W0
EK=hv-W0
光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓
遏止電壓
01
遏止電壓與最大初動(dòng)能關(guān)系
03
頻率不同遏止電壓便不同
遏止電壓影響因素
02
金屬要發(fā)生光電效應(yīng)與入射光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，只與頻率有關(guān)。
與光強(qiáng)是否有關(guān)
04
遏止電壓
愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論
愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論
光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋
Ek = –W0
eUc=hv-W0
對(duì)某種金屬W0一定，遏止電壓Uc只與入射光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。
電子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要時(shí)間的積累。
光照射到金屬中的電子時(shí)，一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，也就是hv的能量。
瞬時(shí)性
截止頻率
遏止電壓
飽和光電流
同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多, 照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。
康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量
04
1923年康普頓在做X射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。這種波長(zhǎng)改變的散射稱為康普頓效應(yīng)。經(jīng)典理論無(wú)法解釋康普頓效應(yīng)：物質(zhì)中的電子會(huì)隨入射光以相同的頻率振動(dòng)，并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無(wú)法解釋有Δλ存在的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。
康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量
X-ray
光束通過(guò)某些介質(zhì)時(shí)，可以看到光的散射現(xiàn)象。
康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量
愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：
光子能量：
光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)λ和普朗克常量h有關(guān)：
光的波粒二象性
05
愛(ài)因斯坦觀點(diǎn)光電效應(yīng)光具有粒子性
牛頓觀點(diǎn)光光是實(shí)物粒子，微粒說(shuō)
托馬斯楊惠更斯觀點(diǎn)光
是一種波波動(dòng)說(shuō)，干涉衍射
光的波粒二象性
麥克斯韋觀點(diǎn)
光是電磁波
光的波粒二象性
光具有波粒二象性
(1)光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出波動(dòng)性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。
(2)光在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。
光子能量：E=hν
光子動(dòng)量：
粒子性
波動(dòng)性
拓展學(xué)習(xí)
光電效應(yīng)的深入研究
太陽(yáng)能電池通過(guò)吸收太陽(yáng)光并利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，為人類提供了清潔、可再生的能源。
太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。
太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā)對(duì)于促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
太陽(yáng)能電池
光通信技術(shù)利用光波作為信息載體進(jìn)行通信，通過(guò)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行處理和傳輸。
光通信技術(shù)具有傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代通信領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支持。
光通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)于推動(dòng)信息社會(huì)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。
光通信技術(shù)
光電探測(cè)器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，可以用于監(jiān)測(cè)和檢測(cè)光信號(hào)，廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、生物成像等領(lǐng)域。
光電探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)速度對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。
光電探測(cè)器的研究和開(kāi)發(fā)對(duì)于推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。
光電探測(cè)器
光電效應(yīng)在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用
01
光電效應(yīng)的量子力學(xué)描述是基于波函數(shù)和薛定諤方程的。
描述了光子與電子的相互作用以及光電效應(yīng)的過(guò)程。
提供了光電效應(yīng)發(fā)生概率的計(jì)算方法。
光電效應(yīng)的量子力學(xué)描述
03
研究了光在固體中的傳播和與物質(zhì)的相互作用。
探討了固體表面和界面處光電效應(yīng)的特點(diǎn)。
描述了半導(dǎo)體和絕緣體中光電效應(yīng)的差異。
光電效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)物理觀點(diǎn)
02
統(tǒng)計(jì)物理觀點(diǎn)研究了大量光電效應(yīng)事件的總和。
提供了光電效應(yīng)發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分布。
探討了光電效應(yīng)的平均值和方差等統(tǒng)計(jì)特性。
光電效應(yīng)的固體物理角度
光電效應(yīng)的微觀機(jī)制
謝謝大家

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