第八篇光的粒子性

波粒二象性——光的粒子性

一、光电效应现象

定义：当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。

二、光电效应的实验规律

1.存在饱和电流

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。因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。

实验表明：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。

2.存在遏止电压和截止频率

U=0时，I≠0，因为电子有初速度,加反向电压，如图所示：光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子做减速运动。若

,则I=0，式中Uc为遏止电压。遏止电压Uc：使光电流减小到零的反向电压

光电效应伏安特性曲线

实验表明：对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。光的频率ν改变时，遏止电压也会改变。

光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。截止频率：对于每种金属，都有相应确定的截止频率νc。

当入射光频率ννc时，电子才能逸出金属表面；

当入射光频率ννc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。

3.具有瞬时性

实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。

更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过

秒(这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”)。

勒纳德等人通过实验得出以下结论

1.对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；

2.当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；

3.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；

4.入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过秒。

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。

光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。按照光的电磁理论，可以得到以下结论

1.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。

实验表明：对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。

2.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。

3.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

s。

以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。

四、爱因斯坦的光量子假设

1.内容：光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν的光是由大量能量为ε=hν的光子组成的粒子流组成的，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。

2.爱因斯坦光电效应方程

在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出：

W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；Ek为光电子的最大初动能。　　

4.光电效应理论的验证

美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。

五、光电效应在近代技术中的应用

1.光控继电器2.光电倍增管

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