8.3 光电效应在线视频

今天我们开始讲光电效应

光电效应是指的

当一束光照射到金属表面上时

金属表面上有电子逸出的现象

这是光电效应的实验原理图

这是一个光电管

两极接成一个闭合回路

当光通过一个窗口照射到金属电极上

这个电路当中就会产生电流

这就是光电效应

下面我们看光电效应实验规律

这是装置

光电管的K是阴极A是阳极

两端接上外电路

用电流表A测出它的电流

外接电压表可以改变电路当中的电压

当给电路加上正向电压

我们看到

保持光强和频率不变的情况之下

随着正向电压的增加

光电流慢慢的增大

但是当正向电压增加到一定值的时候

光电流达到一个最大值

这时再增加正向电压

光电流不再增大了

这个电流称为饱和光电流

实验发现在频率一定的情况之下

饱和光电流im是正比入射光的光强的

现在如果我们把正向电压去掉

慢慢地减小到零

再把电压换向加上反向电压

电路当中依然有光电流存在

但是光电流在逐渐地减小

这说明发射出来的光电子

仍然具有一定的动能

当反向电压加到一定值的时候

发现光电流变成零

这个时候对应的电压称为截止电压

实验表明截止电压（见公式）

也就是说它跟入射光的频率呈线性关系

另外当改变入射光的频率

会发现只要入射光频率低于某一个值

光电流就不会产生

无论光强多大

这个频率称之为红限频率

它的值ν₀=U₀/K

再就是光电效应的转换时间

会发现只要频率大于红限频率

只要光一照到金属上

光电效应瞬时就产生

它的响应时间小于10的-9次方秒

1905年

还在伯尔尼专利局做着小职员的爱因斯坦

提出了关于光的本性的新的理论

他认为光束可以看成

是由一粒一粒的微粒构成的粒子流

这些粒子流它叫光量子

简称光子

这些光子在真空中

是以光速c运动的

一个频率为ν的光子

它的能量E就等于hν

根据爱因斯坦的光量子假设

一束光就是由大量的光量子所构成

它们发出一个一个的光子

然后爱因斯坦得到一个光电效应方程

即（见公式）

这hν就是光量子的能量

它认为光量子

把能量交给金属当中的电子

使得金属当中电子从表面逸出

需要克服金属对它的作用力

这个A就是逸出功

剩下的能量就是转化成光量子的动能

（见公式）

根据这个光电效应方程

可以对光电效应实验规律

作出完整的解释

首先第一个饱和光电流的强度

与光强成正比

在光量子假设的基础上

光强I就可以写成

等于Nhν

N指光量子的个数

这样对于给定频率的光来说

光的强度越大

表示这束光当中所含光量子的数目越多

而光量子数目越多

也就对应发射的光电子数增多

从而光电流就增大

这就解释了饱和光电流

与光强成正比的结论

再看红限频率的存在

如果入射光的频率低于红限频率

也就是hν如果小于A逸出功的话

电子没有足够的能量

克服金属对它的束缚而跑出来

只有当入射光的频率足够高

至少要大于A/h

以至于每个光子它的能量

足以把电子从金属当中脱出

所以红限频率ν₀=A/h

第三点

截止电压与入射光的频率呈线性关系

根据光电效应方程可以得到

（见公式）

（见公式）

即截止电压乘上e

由此就可以推出来

eUa=hν﹣A

把e除到等式的右边

就得到Ua=hν/e﹣A/e

即截止电压与频率成线性关系

再看第四条

光电效应为什么能够瞬时发生

当电子一次性的吸收一个光子的能量之后

它就立刻从金属表面逸出

而不需要明显的时间滞后

这样光电效应

就被爱因斯坦的光量子假说

完美的解释了

但是光量子这样一个概念

在当时的物理学界并没有引起什么重视

1916年密立根再做了精确的光电效应实验

利用Uc和ν的直线斜率求出K

在这个实验当中我们看一下

密立根实验横坐标是频率ν

纵坐标就是Uc截止电压

这是不同的金属得到不同的线性的关系

根据这些直线他得到

（见公式）

再（见公式）

从而推出来普朗克常数h=eK

根据他的实验推出来的h普朗克常数

与其他方法测出来的普朗克常数

符合的非常之好

从而在实验上进一步证实了

爱因斯坦的光量子理论

这个时候物理学界才逐步的

接受了爱因斯坦的光量子理论

后来密立根在1948年爱因斯坦70大寿的时候

说了这么一段话

他说我一生中用了十年时间

验证爱因斯坦1905年的方程

与我的想象完全相反

1915年我不得不宣布

方程得到清楚的证实

虽然它们完全不可理喻

因为完全违反我们有关光的波动性的所有认识

我们知道

前面我们讲到光是一种波

而描述波的基本特征量

是频率ν和波长λ

而现在爱因斯坦又说光是一种光量子

描述光量子当成一个一个的颗粒

这个颗粒具有能量E

具有质量m和动量p

而描述粒子性的这些量

和描述波动性的这些量之间

它们有这样的关系

E=hv m=hν/c²

p=hν/c=h/λ

这样光就既有波动性也有粒子性

称为波粒二象性

当波长显得很大

或者障碍物显得很小的时候

光就表现出波动性

而当光的波长显得很小

或障碍物显得很大的时候

光就表现出粒子性

光的波粒二象性

使人们对光的本性

又多了一层扑朔迷离的认识

我们看这样一幅画

大家看到什么样一幅图像呢

你是看到一幅少女的图像

还是一副老妇的图像

这两种图像

一定不会同时出现在你的视觉当中

我们来看

如果你看这个地方像是眼睛

那她就是老妇的眼睛

而如果你看这里像一个下巴

那么她就是少女的下巴

再看下面这根

如果你看成是一根项链

那么它就是少女的

而如果你看成是一个嘴巴

它就是老妇的

光的本性真是扑朔迷离

用屈原离骚当中的话

纷总总其离合兮 斑陆离其上下

就是光怪陆离