光学教程(姚启钧) 第7章 光量子性.pptVIP

遏止电压与最大初动能之间的关系为： 当以同频率，但光强不同的光照射阴极时，有不同的饱和电流。但遏止电压不变。如图 若改变入射光的频率，可得遏止电压与入射光的频率成线性关系。如图 光电伏安特性曲线 V I O Vg V I O Vg Io3 Io2 Io1 |Vg| ν O ν0 分析光电效应的实验结果，可得出下述规律： 1. 饱和电流I0与入射光强成正比，而遏止电压Vg与光强无关。即光电子的最大初动能与入射光强无关。 2. 遏止电压Vg与入射光频率成线性关系，即有 实验发现，斜率k与阴极材料无关。 3. 光电效应存在截止频率。对每一种材料都存在一个入射光频率?0，当入射光的频率小于?0时，无论光强多大，照射时间多长，都无光电子发射。频率?0称为光电效应的截止频率或频率红限。不同的材料具有不同的红限频率。 4. 光电效应的驰豫时间非常短。光照与光电子发射几乎是同时的。 本节结束 第7章 光的量子性 Quantum Property of Light §7.4 爱因斯坦的量子解释 Einstein’s quantum Explanation 为了解释光电效应，1905年，爱因斯坦将普朗克的能量子概念加以推广，进一步提出了关于光的本性的光子假说。 Einstein visiting the USA in 1921 with his second wife Elsa。 普朗克把能量子的概念只局限于谐振子及其发射或吸收的机制上，对于辐射场，仍然认为只是一种电磁波。 爱因斯坦指出，光不仅具有波动性，也具有粒子性。光是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些光粒子称光量子，简称光子。每个光子的能量为： 不同频率的光其光子能量不同，光子只能整个地被吸收或发射。 一. 光子 二. 爱因斯坦光电效应方程 把光子的概念应用于光电效应上，当照射金属表面时，金属中的电子吸收一个光子后，把能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分就成为从金属表面脱出后的初动能。根据能量守恒有: 上式称为爱因斯坦光电效应方程，A为电子从金属表面脱出所需要的能量（所作的功）。 由于金属内部的电子可处于不同的能量状态，从金属中脱出时所作的功也各不相同。 通常把A的最小值A0称为脱出功（或逸出功），对于A＝A0的电子来说，脱出后的初动能最大，则有： 三. 对光电效应的解释 1. 因为入射光的强度是由单位时间到达金属表面的光子数目决定的，即E光强＝Nh?，而逸出的光电子的数目又与光子的数目成正比，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成了饱和电流I0。由此可见，饱和光电流与入射光强成正比。 2. 由爱因斯坦方程 可以看出，对于给定的金属，逸出功A0一定，则最大初动能1/2mv2m与频率?成线性关系。 3. 红限存在的解释。如果入射光的频率过低，以致h?A0，则电子就不能克服金属的束缚而脱出金属表面。即使入射光很强，也就是这种光子的数目很多，但仍不会产生光电效应。只有??0=A0/h时,才会有光电效应产生。 4. 当一个光子与一个电子发生碰撞时，电子立即得到光子的全部能量，无需能量的积累时间，故光电效应的驰豫时间很短。 爱因斯坦的光子假设和方程对光电效应的成功解释，说明了它的正确性。但当初人们受经典电磁理论的束缚较重，实验上又未能获得全面的验证，所以爱因斯坦的假设并没有立即得到人们的承认。 爱因斯坦曾经说过：“倘若光电方程正确无误，取直角坐标系将遏止电压表征为入射光频率的函数，则遏止电压必定是一条直线，他的斜率与金属材料性质无关。” 但是在当时条件下，实验是很难实现的。直到1916年美国物理学家密立根（R. A. Millikan ,1868-1953) 经过非常仔细的实验，证实了爱因斯坦光电效应方程的正确性。 经过近十年的艰苦努力，实验结果总是和自己的预料相反，而与爱因斯坦的假设一致，于1916年密立根决然宣布了他的实验结果，使爱因斯坦方程得到了完全的证实。 最初密立根对爱因斯坦的光子假设和方程，持有保守态度，企图通过精密的光电效应实验否定它。 爱因斯坦由于光电效应方面的工作，于1921年获得诺贝尔物理学奖。两年后，密立根也由于在这方面的实验工作而获得诺贝尔物理学奖。 *四. 光电效应的应用 光电效应在农业、工业、科学技术和国防中应用十分广泛。由于它可以把光能直接转换成电能并且这种转换关系很简单。主要被用于测光、计数、自动控制等方面。下面主要介绍两种器件。 1. 真空光电管 真空光电管是光电效应最简单的应用器件。将玻璃泡抽成真空，在内表面涂上光电材料作为阴极，阳极一般作成圆环状。使用时在两极间加上一定的直流电压，就可把照射在阴极上的光信号转换成电信号。 阴极可用多种材料制成，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极