4.2光电效应 课件(共28张PPT)

(共28张PPT)
4.2光电效应
授课人：疯狂物理人
第四章原子结构和波粒二象性
人教版（2019）
光电效应实验规律
光电效应解释中的经典疑难
爱因斯坦的光电效应的理论解释
康普顿效应和光子的动量
光的波粒二象性
目 录
CONTENTS
光电效应的发现
把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。
这个现象说明了什么问题？
光电效应的发现
光电效应实验规律
01
赫兹的实验
赫兹通过实验验证了光具有粒子性
实验展示了光与金属相互作用产生电子的现象
为爱因斯坦的光量子假设提供了实验基础
光电效应实验装置电路图
光电效应实验规律
光电效应实验装置电路图
⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极
⑵K在受到光照时能够发射光电子
⑶阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。
装置介绍
光电效应实验规律
光电效应实验规律
当入射光频率减小到某一数值 c 时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。此时的光的频率 c即为截止频率！
存在截止频率
01
入射光频率低于截止频率时，不光光照多强，金属都不会发生光电效应
光电效应的发生条件
03
不同金属的截止频率不同，截止频率与金属自身的性质有关。
截止频率影响因素
02
金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。
与光强是否有关
04
光电效应实验规律
截止频率
光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压
遏止电压
01
遏止电压与最大初动能关系
03
频率不同遏止电压便不同
遏止电压影响因素
02
金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。
与光强是否有关
04
光电效应实验规律
遏止电压
光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值
存在饱和光电流
01
在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多
饱和光电流
影响因素
02
光电效应实验规律
饱和光电流
光电效应是瞬时发生的不需要时间的积累
光电效应经典解释中的疑难
02
光电效应的实验验证
02
光电效应经典解释中的疑难
金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢？
这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。
几种金属的截止频率和逸出功
逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。
UC与应与光强有关
光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。
光电效应需要时间积累
如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需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。
不存在极限频率
不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。
光电效应经典解释中的疑难
爱因斯坦的光电效应理论
03
光电效应的量子化
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。这些能量子后来被称为光子。
光电效应方程
金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。
光子说对光电效应的解释
光电效应方程进行解释
01
02
03
爱因斯坦的光电效应理论
eUc=hv-W0
EK=hv-W0
光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压
遏止电压
01
遏止电压与最大初动能关系
03
频率不同遏止电压便不同
遏止电压影响因素
02
金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。
与光强是否有关
04
遏止电压
爱因斯坦的光电效应理论
爱因斯坦的光电效应理论
光子说对光电效应的解释
Ek = –W0
eUc=hv-W0
对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。
电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。
光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。
瞬时性
截止频率
遏止电压
饱和光电流
同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多, 照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
康普顿效应和光子的动量
04
1923年康普顿在做X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相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。这种波长改变的散射称为康普顿效应。经典理论无法解释康普顿效应：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。
康普顿效应和光子的动量
X-ray
光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。
康普顿效应和光子的动量
爱因斯坦质能方程：
光子能量：
光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：
光的波粒二象性
05
爱因斯坦观点光电效应光具有粒子性
牛顿观点光光是实物粒子，微粒说
托马斯杨惠更斯观点光
是一种波波动说，干涉衍射
光的波粒二象性
麦克斯韦观点
光是电磁波
光的波粒二象性
光具有波粒二象性
(1)光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
(2)光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。
光子能量：E=hν
光子动量：
粒子性
波动性
拓展学习
光电效应的深入研究
太阳能电池通过吸收太阳光并利用光电效应将光能转换为电能，为人类提供了清洁、可再生的能源。
太阳能电池的效率和稳定性对于实现太阳能的大规模应用具有重要意义。
太阳能电池的研究和开发对于促进能源转型和可持续发展具有重要意义。
太阳能电池
光通信技术利用光波作为信息载体进行通信，通过光电效应将光信号转换为电信号，再通过电信号进行处理和传输。
光通信技术具有传输速率快、传输距离远、抗干扰能力强等优点，为现代通信领域提供了重要的技术支持。
光通信技术的发展对于推动信息社会和数字经济的发展具有重要意义。
光通信技术
光电探测器是一种将光信号转换为电信号的装置，可以用于监测和检测光信号，广泛应用于天文观测、生物成像等领域。
光电探测器的灵敏度和响应速度对于实现高精度测量和实时监测具有重要意义。
光电探测器的研究和开发对于推动科学技术的发展和应用具有重要意义。
光电探测器
光电效应在现代科技中的应用
01
光电效应的量子力学描述是基于波函数和薛定谔方程的。
描述了光子与电子的相互作用以及光电效应的过程。
提供了光电效应发生概率的计算方法。
光电效应的量子力学描述
03
研究了光在固体中的传播和与物质的相互作用。
探讨了固体表面和界面处光电效应的特点。
描述了半导体和绝缘体中光电效应的差异。
光电效应的统计物理观点
02
统计物理观点研究了大量光电效应事件的总和。
提供了光电效应发生概率的统计分布。
探讨了光电效应的平均值和方差等统计特性。
光电效应的固体物理角度
光电效应的微观机制
谢谢大家