1、 12.1 光电效应光电效应光电效应光电效应光光 子子光电管及其应用光电管及其应用问题引入问题引入 问题引入问题引入 光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的程度。光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的程度。但是，这个学说还不能完全解释所有的光现象。就在赫兹但是，这个学说还不能完全解释所有的光现象。就在赫兹用实验证实麦克斯韦的电磁场理论的时候，也发现了另一用实验证实麦克斯韦的电磁场理论的时候，也发现了另一种物理现象种物理现象光电效应。该现象用光的波动理论是无法光电效应。该现象用光的波动理论是无法解释的，这就不得不使人们对光的本性进行思考，从而为解释的，这就不得不使人们对光的本性进行思考，从而
2、为物理学的发展开拓了新的领域。物理学的发展开拓了新的领域。一、光电效应一、光电效应把把一一块块碱碱金金属属（例例如如锌锌板板）连连接接在在灵灵敏敏验验电电器器上上，用用弧光灯照射擦得很亮的锌板，结果验电器的指针张开了一弧光灯照射擦得很亮的锌板，结果验电器的指针张开了一个个角角度度，表表示示锌锌板板经经照照射射后后带带了了电电，进进一一步步检检验验知知道道锌锌板板带带的的是是正正电电。这这说说明明在在弧弧光光灯灯的的照照射射下下，锌锌板板中中有有一一部部分分自自由由电电子子从从表表面面飞飞了了出出去去，锌锌板板中中缺缺了了电电子子，于于是是带正电。带正电。在在光光(包包括括不不可可见见光光)的的
3、照照射射下下，金金属属表表面面发发射射电电子子的的现象叫做现象叫做光电效应光电效应。发射出来的电子叫做发射出来的电子叫做光电子光电子。1.光电效应光电效应 2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律 （1）产生光电效应的条件；产生光电效应的条件；（2）光电子最大初动能；光电子最大初动能；（4）光电流的大小。光电流的大小。（3）光电效应产生的时间；光电效应产生的时间；（1）产生光电效应的条件产生光电效应的条件 如如图图所所示示，不不同同单单色色光光照照射射不不同同金金属属，要要产产生生光光电电效效应应，必必须须有有一一个个最最低频率低频率。如如锌锌板板用用紫紫外外线线照照射射时时，能能产产生生光光
4、电电效效应应，用用黄黄光光照照射射则则不不能能产产生生光光电电效应。效应。任任何何一一种种金金属属，都都有有一一个个截截止止频频率率，入入射射光光的的频频率率必必须须大大于于这这个个截截止止频频率率才才能能产产生生光光电电效效应应，低低于于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。实验结论：实验结论：弧光灯弧光灯几种金属的截止频率几种金属的截止频率f 0 和对应的波长和对应的波长 0铂铂银银锌锌钠钠铯铯金金 属属19626037250066015.311.58.076.004.55光光电电效效应应中中从从金金属属出出来来的的电电子子，有
5、有的的从从金金属属表表面面直直接接飞飞出出，有有的的从从内内部部出出来来沿沿途途与与其其它它粒粒子子碰碰撞撞，损损失失部部分分能能量量，因因此此电电子子速速度度会会有有差差异异，直直接接从从金金属属表表面面飞飞出出的的速速度度最大，其动能为最大，其动能为最大初动能最大初动能。(2)光电子最大初动能光电子最大初动能 光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光的频率增大而增大。的频率增大而增大。（3）光电效应产生的时间光电效应产生的时间如如图图，是是研研究究光光电电效效应应的的实实验验装装置置示示意意图图。当当单单色色光光照照射射阴阴极极K 时时,
6、将将从从阴阴极极K 发发射射光光电电子子。如如果果光光电电子子一一旦旦飞飞出出,电电流流表表的的指指针针就就发发生生偏偏转转，以以便便了了解解入入射射光光照射多长时间才产生光电效应。照射多长时间才产生光电效应。即即使使入入射射光光强强度度非非常常弱弱，只只要要入入射射光光频频率率大大于于截截止止频频率率，电电流流表表指指针针也也几几乎乎随随着着入入射射光光的的照照射射立立即即偏偏转转，精精确确实实验验表表明明，从从光光电电子子发发射射到到光光电电流流产产生生最最多多相相差差10-9 s。实验结果：实验结果：（4）光电流的大小光电流的大小按按图图装装置置，用用一一定定强强度度的的光光照照射射K，
7、电电流流表表中中有有一一定定读读数数，这这时时改改变变 K、A 之之间间的的电电压压，使使其其增增大大，电电流流表表显显示示的的光光电电流流在在增增大大。但但是是，当当K、A间间电电压压足足够够大大后后，电电流流表表读读数数不不再再改改变变，这这就就是是饱饱和和光光电电流流。即即使使升升高高电电压压，电流也不会再增大。电流也不会再增大。当当入入射射光光的的频频率率大大于于截截止止频频率率时时，光光电电流流与与入射光的强度成正比。入射光的强度成正比。实验结论实验结论:此时若再增大入射光的强此时若再增大入射光的强度，光电流会随之增大。度，光电流会随之增大。二、光子二、光子 爱因斯坦爱因斯坦（187
8、91955）1900年年，德德国国物物理理学学家家普普朗朗克克(1858-1947)在在研研究究物物体体热热辐辐射射的的规规律律时时发发现现，只只有有认认为为电电磁磁波波的的发发射射和和吸吸收收不不是是连连续续的的，而而是是一一份份一一份份地地进进行行的的，理理论论计计算算的的结结果果才才能能跟跟实实验验事事实实相相符符。这这样样的的一一份份能能量量叫叫做做能能量量子子。每每一一份份能能量量等等于于hn n，其其中中n n是是辐辐射射电电磁磁波波的的频频率率，h 是是一一个个常数，叫常数，叫普朗克常量普朗克常量，实验测得，实验测得光电效应有力地证明了光具有粒子性。光电效应有力地证明了光具有粒子
9、性。受受普普朗朗克克的的启启发发，爱爱因因斯斯坦坦于于1905年年提提出出，在在空空间间传传播播的的光光也也是是不不连连续续的的，而而是是一一份份一一份份的的，每每一一份份叫叫做做一一个个光光量量子子，简简称称光光子子，光光子子的的能能量量E 跟跟光光的的频频率率n n成成正正比比，即即E=h n n式中的式中的h 就是普朗克常量。这个学说被称为就是普朗克常量。这个学说被称为光子说光子说。在光电效应中，金属中的电子在逸出金属表面时要克在光电效应中，金属中的电子在逸出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功的最小值，叫做这种金属的服原子核对它的吸引而做功的最小值，叫做这种金属的逸逸出功出功。几种金
10、属的逸出功几种金属的逸出功金金钛钛镁镁钙钙铯铯金金 属属4.84.13.72.71.9W/eV 如如果果入入射射光光的的能能量量hn n大大于于金金属属的的逸逸出出功功W，那那么么有有些些光光电电子子在在脱脱离离金金属属表表面面后后，还还有有剩剩余余的的能能量量，即即为为光光电电子子的初动能。的初动能。上式叫做上式叫做爱因斯坦方程爱因斯坦方程。当光电子的初动能为零时，。当光电子的初动能为零时，入射光频率就是金属的截止频率入射光频率就是金属的截止频率 n n0，即，即 例题例题 如果用波长为如果用波长为400nm的紫外线照射铯时，逸出光的紫外线照射铯时，逸出光电子的动能是多少？电子的动能是多少？
11、解解：波长为波长为400nm的紫光频率为的紫光频率为 根据爱因斯坦方程得根据爱因斯坦方程得 三、光电管及其应用三、光电管及其应用 1.光电管光电管 光电管应用在各种自动化装置及有声电影、光电管应用在各种自动化装置及有声电影、无线电传真、光纤通信等中。无线电传真、光纤通信等中。作作用用：光光电电效效应应能能把把光光信信号号转转变变为为电电信信号号（而而且且几几乎乎同同步步）。如如图图，改改变变光光的的强强弱弱就就会会从从电电流流表表中中读读数数变变化化得得到电流的强弱。到电流的强弱。发发送送端端的的传传真真机机通通过过光光电电转转换换将将文文稿稿图图片片的的黑黑白白信信息息变变成成电电信信号号发
12、发射射出出去去，接接收收端端再再将将电电信信号号转转换换成成光光电电信信号号，从从传传真真机机上上便可以得到原稿真迹了。便可以得到原稿真迹了。(1)传真机传真机 图图像像是是用用光光束束扫扫描描的的。光光束束强强度度的的改改变变可可通通过过光光电电管管来来测测知知，并并且且转转换换为为可可经经电电线线输输送送的的电电信信号号。位位于于另另一一端端的传真机则将信号转换回图像。的传真机则将信号转换回图像。传真机传真机 （2）光纤通信）光纤通信 各各种种电电信信号号对对光光波波进进行行调调制制后后，通通过过光光纤纤进进行行传传输输的的通通信信方方式式，称称光光纤纤通通信信。光光纤纤通通信信不不同同于
13、于有有线线电电通通信信，后后者者是是利利用用金金属属媒媒体体传传输输信信号号，光光纤纤通通信信则则是是利利用用光光纤纤传传输输光光波波。虽虽然然光光和和电电都都是是电电磁磁波波，但但其其频频率率范范围围相相差差很很大大。一一般般通通信信电电缆缆使使用用频频率率最最高高，约约9 24 MHz，光光纤纤的的工工作作频率在频率在1014 1015 Hz之间。之间。目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。网上的光纤通信系统。光光纤纤通通信信最最主主要要的的优优点点是是：容容量量大大;衰衰减减小小;体体积积小小，重重量量轻轻，同同时
14、时有有利利于于施施工工和和运运输输;防防干干扰扰性性能好；能好；节约有色金属；节约有色金属；成本低。成本低。由由美美国国、俄俄罗罗斯斯、欧欧洲洲、日日本本和和加加拿拿大大共共同同出出资资建建造造的的国国际际空空间间站站上上安安装装了了价价值值6亿亿美美元元、长长74 m的的太太阳阳能能电电池板，共装了池板，共装了6.4 万个光电管，展开后的太阳能电池板长万个光电管，展开后的太阳能电池板长 （3）太阳能电池板）太阳能电池板太空站及其太太空站及其太阳能电池板阳能电池板度度比比波波音音747飞飞机机的的机机翼翼还还长长，可可将将太太阳阳能能转转化化为为电电能能。此此太太阳阳能能电电池池板板将将于于2
15、006年年建建成成的的，所所产产生生的的电电力力可可供供地地球球上上30户户家家庭庭使使用用，这这将将使使2003年年1月月进进入入空空间间站站的的命命运运号号太太空空舱舱可可有有足足够够的的电电力力，以以保保证证正正常常的的科科学学实实验验。由由此此，国国际际空空间间站站将将成为夜空中第三个最亮的物体。成为夜空中第三个最亮的物体。1.可可见见光光子子的的能能量量有有多多大大？求求波波长长是是0.4 m的的可可见见光光子子和和波波长长为为10-7 m的的射射线线光光子子的的能能量量。(用用eV作作为为能能量量单单位位)练练 习习 解：解：2.使使锌锌产产生生光光电电效效应应的的最最长长波波长长
16、是是0.372 m，锌锌的的逸逸出功是多少？出功是多少？解解：最长：最长波长为波长为0.372 m的光的截止频率为的光的截止频率为 根据爱因斯坦方程，根据爱因斯坦方程，锌的逸出功为锌的逸出功为铷铷在在大大自自然然中中很很少少，而而且且分分散散，海海水水中中含含量量要要比比陆陆地地上上多多。现现在在人人们们用用重重结结晶晶法法从从盐盐水水中中浓浓缩缩氯氯化化铷铷，一一般般经经过过几几十十次次重重结结晶晶，可可以以得得到到较较纯纯的的氯氯化化铷铷，然然后后用用金金属属钙钙作作为为还还原原剂剂，可可制制取取金金属属铷铷，铷铷主主要要应应用用于于光光电电 器器件件，当当铷铷受受光光照照射射时时可可以以发发射射光光电电子子光光电电效效应应。因因此此，人人们们利利用用这这一一特特性性，将将其其镀镀在在银银片片上上，制制成成各各种种光光电电管管，在在电电影影、电电视视、光光度度计计以以及及许许多多通通讯讯，自自动动控控制制方方面面有有着着广广泛的应用。泛的应用。铷铷
