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但实验结果是光电子的初动能与入射光强无关，而与入 射光的频率成线性关系。 同时，只要入射光强足够大(入射能量足够多)，金属中 的电子就能从光波中吸收足够的能量并积累到一定量值 而逸出金属表面，根本不应存在红限频率。
但实验指出，当入射光的频率小于某一频率o时, 无论
入射光强如何, 都没有光电子从金属中逸出(即没有光电流)。 其次，按照波动理论，能量的积累是需要一定时间的。
2
第 16 章
量子光学基础
(fundament of quantum optics)
(6)
3
本章内容提要： •光电效应及爱因斯坦的光子理论 •康普顿效应 •玻尔氢原子理论 •激光和激光器原理
*§16-1 热辐射与普朗克能量子假说 §16-2 光 子
一.光电效应和其实验定律
4
一 光电效应现象与实验:
量子物理学
牛顿力学、热学、电磁学和波动学，统称经典物 理学。经典物理学研究的基本上是宏观领域的物理现 象。
经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功， 但有它的局限性。
相对论指出了经典物理学的第一个局限性不适用 高速运动领域。
量子物理学指出了经典物理学的第二个局限性不 适用于电子、原子、分子等微观领域。
实验指出,不同金属物质具有不同的红限频率。
4.立即发射，时延不超过10-9s。
•波动说的解释 以上实验结果是光的经典波动图像无法解释的。
按照光的波动说,金属在光的照射下,其中的电子受到 电磁波中电场作用而作受迫振动,吸收光波的能量,从而逸 出金属表面。
9
按照这种受迫振动的理论，光强愈大，受迫振动的振幅 愈大，发射出的光电子的初动能就应愈大。
光电子不会立即发射。 理论计算表明,在功率为1mW的入射光照射下,逸出功
为1eV的金属，从光开始照射到释放出电子,大约要等待 16min,这同光电效应瞬时响应的实验结果完全不符合。
10
三.爱因斯坦光子理论 1.爱因斯坦光子假设
A 光在空间中传播时,也具有粒子性. (大胆的假设!)
一束光就是以光速c运动的粒子流，这种粒子称为光子。 B 不同频率的光,其光子的能量不同.
Is;
Is
光频率一定 光强较大
光强较小
-
IA
-Ua
o
U
图16-2
K
A U
电源
图16-1 8
2.光电子的初动能随入射光的频率线性增加，与 入射光的强度无关。
3.存在红限 实验指出,对一给定的金属, 当入射光的频率小于某
一频率o时, 无论入射光强如何, 都没有光电子从金属中 逸出(即没有光电流)。这一频率o称为光电效应的红限频率。
相对论和量子物理学统称近代物理学。
1
从经典物理学到近代物理学，不仅仅是尺度上的 问题，而是一次物理观念的革命，是人们认识物质世 界的一次飞跃。
量子物理学研究的对象是微观粒子(如电子、原 子、分子等)。而微观粒子往往有我们意想不到的性 质。
这其中最主要和最普遍的是微观粒子的量子性和 波动性。
量子 不连续。
吸收一个光子能量.无需能量积累时间 因此,光电效应应该是瞬时效应.
3 由光子方程, 1 m 2 h A
知道:
1
m
2
2与成线性关系
1
m
2
2 与光子数N无关,
1 m 2与入射光强度无关.
2
2
4 在满足红限频率的条件下,光强大,光子数多.因而吸
收光子能量成为光电子的数目多,饱和电流大.
因此,饱和光电流和入射光强成正比.
-
A A
U I
不加电压,还是有光电流. 说明光电子有初速度.
K
6
加反向电压, 光电流减小.
E
-F
AA
K
U
当反向电压达到某一值时, 光电子全部不能达到阳极, 没有光电流.
这一反向电压称为遏止 电压,Ua表示.
图16-1
1 2
mυ2
eU a
(16-1)
7
二 实验规律:
I
1.饱和电流强度与光强成正比 (光的频率一定)
当光照射在阴极K(金属)时,就有电子从阴极从表 面逸出. 这一现象称作光电效应现象. 这种电子叫光电子.
在电场的作用下,光电子由K奔向阳极A,形成光电流.
F-
AA
K
U
I
调节滑动变阻器,使 加速电压增大,光电 流增大.
当加速电压增加到 一定值时,光电流达 到一饱和值Is 。
I电流 NesV
5
图16-1
频率为的光的光子能量为
E =h
(16-2)
式中, h= 6.63×10-34 J·s，是普朗克常数。
按此假说,一束光有N个光子，则该束光的光强
I光强 Nh
11
按照光子假说： a 光经过单缝衍射后,在光屏上的光强分布曲线就可以 理解为光子的堆积曲线.
在中央明条纹内,光子堆积的数目多 b 光与物质间进行的能量交换是以光子能量(h)为交换 单位.
1 m 2 0
2
min
A
h 0
h A
A
h
当入射光的频率 0时,方能产生光电效应.注意Biblioteka A B0 0A
hc
0
A h 0 是一个常用的式子.
称为光电效应的红限波长.
当入射光波长 0时,才能发生光电效应.
h 1 m 2 A
2
(2131-3)
2 当光子的能量 h A时,金属中的束缚电子一次性
小结: 光子理论完全成功地解释了光电效应的实验规律
光电效应证明了光子假设的正确性. 14
五 光的波粒二象性 光具有干涉,衍射现象,说明光是一种波. 光电效应又显示光具有粒子性. 因此,光具有波粒二象性.光既是粒子又是波. 在光的传播过程中,主要表现出波动性;当光和其他物质 作用时,主要表现为粒子性.
描写光的波动性质的物理量是: 和
描写光的粒子性质的物理量是: 能量 E 质量m 动量p
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光的二象性之间的联系:
E =h =hc/
m
E c2
h
c2
h
c
静质量：mo=0
(16-5)
p mc h (16-6)
E mc2
m mo
2
1 c2
(光子的速度 =c)
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光电效应的常用公式小结:
h 1 m 2 A
2 爱因斯坦光子方程
当光和金属相互作用时,金属中的束缚电子吸收一个 光子的能量后,一部分用于从金属表面逸出时所需要的 逸出功,其余部分能量成为光电子的初动能.
h 1 m 2 A
2
(16-3)
上式称为爱因斯坦光子方程. 此过程遵守能量守恒.
12
四.光子理论解释光电效应 1 按光子理论,要产生光电效应,需有光电子逸出.
2
逸出功：
A
ho
hc o
(21-4)
1 2
m 2
eU a c
h
c
A
h
h 0
h h
0
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例题16-1 已知铯的红限波长o=6500Å, 今有波长 为 =4000Å的光投射到铯表面,试问:
