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17．2 科学的转折：光的粒子性（一）知识巩固：1．光电效应概念：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。
发射出来的电子叫做光电子。
2．光电效应的实验规律（1）光电效应实验光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出，光电子在电场作用下形成光电流。
概念：遏止电压将开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。
当 K 、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 U c 时，光电流恰为0。
U c 称遏止电压。
根据动能定理，有 （2）光电效应实验规律① 光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。
② 截止频率νc ----极限频率对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率νc 。
当入射光频率ν>νc 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ν <νc 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
③ 光电效应是瞬时的。
从光开始照射到光电子逸出所需时间<10-9s 。
3．光电效应解释中的疑难经典理论无法解释光电效应的实验结果。
为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。
4．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h ν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 E =h ν的光子组成的粒子流，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W 0，另一部分变为光电子逸出后的动能 E k 。
由能量守恒可得出：（3）爱因斯坦对光电效应的解释：①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。
②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。
③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系 ④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：hW c 0=ν 5．康普顿效应221c e v m c eU =0W E h k +=ν（1）光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。
爱因斯坦的光量子假说及其对光电效应实验规律的解释
爱因斯坦光量子假说的主要内容是，光不仅在发射或吸收时具有粒子性，光在真空中传播也具有粒子性。
光可以看作是一粒一粒以光速运动的粒子流，这些光粒子称为光量子，简称光子。
每一光子的能量是hv =ε，式中ε为光子的能量，h 为普朗克常数，v 为光的频率。
按照光子假说，当光子照射到金属表面时，一次被金属中的电子全部吸收，而无须积累时间。
电子把光子能量的一部分转变成它逸出金属表面所需的功0w ，另一部分转化为光电子的动能，用公式表示022
1w mv hv +=，此即爱因斯坦方程。
用此方程就能够直接解释光电效应的三个实验性质。
①由爱因斯坦方程可以直接看出，光电子的动能只与入射光的频率有关，同入射光的强度无光；②由于每一种金属都存在一个逸出功，如果光子的能量小于逸出功，由爱因斯坦方程可知，则不能发生光电效应。
这就说明每一种金属表面都存在特征截止频率0v ，当入射光的频率小于0v 时，不管光的强度有多大，都不能发生光电效应。
③光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，因此，只要入射光的频率大于截止频率0v ，则无论它多么微弱，都会立即引起光电子发射，不存在滞后时间。
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第1章到第3章为应用光学部分，介绍了几何光学基础知识和光在光学系统中的传播和成像特性，注意介绍了激光系统和红外系统;第4～8章为物理光学部分，讨论了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性及光与物质的相互作用，并结合介绍了DWDM、双光子吸收、Raman放大、光学孤子等相关领域的应用和进展。
第9章则专门介绍航天光学遥感、自适应光学、红外与微光成像、瞬态光学、光学信息处理、微光学、单片光电集成等光学新技术。
绪论0.1光学的研究内容和方法0.2光学发展简史第1章光的干涉1.1波动的独立性、叠加性和相干性1.2由单色波叠加所形成的干涉图样1.3分波面双光束干涉1.4干涉条纹的可见度光波的时间相干性和空间相干性1.5菲涅耳公式1.6分振幅薄膜干涉(一)——等倾干涉1.7分振幅薄膜干涉(二)——等厚干涉视窗与链接昆虫翅膀上的彩色1.8迈克耳孙干涉仪1.9法布里一珀罗干涉仪多光束干涉1.10光的干涉应用举例牛顿环视窗与链接增透膜与高反射膜附录1.1振动叠加的三种计算方法附录1.2简谐波的表达式复振幅附录1.3菲涅耳公式的推导附录1.4额外光程差附录1.5有关法布里一珀罗干涉仪的(1-38)式的推导附录1.6有同一相位差的多光束叠加习题第2章光的衍射2.1惠更斯一菲涅耳原理2.2菲涅耳半波带菲涅耳衍射视窗与链接透镜与波带片的比较2.3夫琅禾费单缝衍射2.4夫琅禾费圆孔衍射2.5平面衍射光栅视窗与链接光碟是一种反射光栅2.6晶体对X射线的衍射视窗与链接与X射线衍射有关的诺贝尔奖附录2.1夫琅禾费单缝衍射公式的推导附录2.2夫琅禾费圆孔衍射公式的推导附录2.3平面光栅衍射公式的推导习题第3章几何光学的基本原理3.1几个基本概念和定律费马原理3.2光在平面界面上的反射和折射光导纤维视窗与链接光导纤维及其应用3.3光在球面上的反射和折射3.4光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念3.5薄透镜3.6近轴物近轴光线成像的条件3.7共轴理想光具组的基点和基面视窗与链接集成光学简介附录3.1图3-6中P1和JP1点坐标的计算附录3.2棱镜最小偏向角的计算附录3.3近轴物在球面反射时物像之间光程的计算附录3.4空气中的厚透镜物像公式的推导习题第4章光学仪器的基本原理4.1人的眼睛4.2助视仪器的放大本领4.3目镜4.4显微镜的放大本领4.5望远镜的放大本领视窗与链接太空实验室——哈勃太空望远镜 4.6光阑光瞳4.7光度学概要——光能量的传播视窗与链接三原色原理4.8物镜的聚光本领视窗与链接数码相机4.9像差概述视窗与链接现代投影装置4.10助视仪器的像分辨本领视窗与链接扫描隧显微镜4.11分光仪器的色分辨本领习题第5章光的偏振5.1自然光与偏振光5.2线偏振光与部分偏振光视窗与链接人造偏振片与立体电影5.3光通过单轴晶体时的双折射现象5.4光在晶体中的波面5.5光在晶体中的传播方向5.6偏振器件5.7椭圆偏振光和圆偏振光5.8偏振态的实验检验5.9偏振光的干涉5.10场致双折射现象及其应用视窗与链接液晶的电光效应及其应用5.11旋光效应5.12偏振态的矩阵表述琼斯矢量和琼斯矩阵附录5.1从沃拉斯顿棱镜出射的两束线偏振光夹角公式(5-15)的推导习题第6章光的吸收、散射和色散6.1电偶极辐射对反射和折射现象的解释6.2光的吸收6.3光的散射视窗与链接光的散射与环境污染监测6.4光的色散6.5色散的经典理论习题第7章光的量子性7.1光速“米”的定义视窗与链接光频梳7.2经典辐射定律7.3普朗克辐射公式视窗与链接xx年诺贝尔物理学奖7.4光电效应7.5爱因斯坦的量子解释视窗与链接双激光束光捕获7.6康普顿效应7.7德布罗意波7.8波粒二象性附录7.1从普朗克公式推导斯忒藩一玻耳兹曼定律附录7.2从普朗克公式推导维恩位移定律习题第8章现代光学基础8.1光与物质相互作用8.2激光原理8.3激光的特性8.4激光器的种类视窗与链接激光产生106T强磁场8.5非线性光学8.6信息存储技术8.7激光在生物学中的应用视窗与链接王淦昌与惯性的束核聚变习题主要参考书目基本物理常量表习题答案1.阳光大学生网课后答案下载合集2.《光学》赵凯华钟锡华课后习题答案高等教育出版社3.光学郭永康课后答案高等教育出版社4.阳光大学生网课后答案下载求助合集。
第七章：光电效应属于爱因斯坦的桂冠今天这一章我们来讲讲光电效应。
光电效应是指光束照射在金属表面会使其发射出电子的物理效应。
发射出来的电子称为“光电子”。
要发生光电效应，光的频率必须超过金属的特征频率。
1887年，德国物理学者海因里希·赫兹发现，紫外线照射到金属电极上，可以帮助产生电火花。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表论文《关于光产生和转变的一个启发性观点》，给出了光电效应实验数据的理论解释。
爱因斯坦主张，光的能量并非均匀分布，而是负载于离散的光量子（光子），而这光子的能量和其所组成的光的频率有关。
这个突破性的理论不但能够解释光电效应，也推动了量子力学的诞生。
由于“他对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”，爱因斯坦获1921年诺贝尔物理学奖。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
光束里的光子所拥有的能量与光的频率成正比。
假若金属里的电子吸收了一个光子的能量，而这能量大于或等于某个与金属相关的能量阈值（称为这种金属的逸出功），则此电子因为拥有了足够的能量，会从金属中逃逸出来，成为光电子；若能量不足，则电子会释出能量，能量重新成为光子离开，电子能量恢复到吸收之前，无法逃逸离开金属。
增加光束的辐照度（光束的强度）会增加光束里光子的密度，在同一段时间内激发更多的电子，但不会使得每一个受激发的电子因吸收更多的光子而获得更多的能量。
换言之，光电子的能量与辐照度无关，只与光子的能量、频率有关。
逸出功 W 是从金属表面发射出一个光电子所需要的最小能量。
如果转换到频率的角度来看，光子的频率必须大于金属特征的极限频率，才能给予电子足够的能量克服逸出功。
逸出功与极限频率 v0之间的关系为：W=h*v0。
7.3光电效应的研究爱因斯坦最早明确地认识到，普朗克的发现标志了物理学的新纪元。
1905年，爱因斯坦在著名论文：《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中①，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并应用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。
后来，爱因斯坦称这篇论文是非常革命的，因为它为研究辐射问题提出了崭新的观点。
7.3.1爱因斯坦的光量子理论爱因斯坦在那篇论文中，总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，揭示了经典理论的困境，提出只要把光的能量看成不是连续分布，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解释。
他写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线（按：即光电效应），以及其他有关光的产生和转化的现象的各种观测结果。
根据这一假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的能量子所组成。
这些能量子在运动中不再分散，只能整个地被吸收或产生。
”也就是说，光不仅在发射中，而且在传播过程中以及在与物质的相互作用中，都可以看成能量子。
爱因斯坦称之为光量子，也就是后来所谓的光子（photon）。
光子一词则是1926年由路易斯（G.N.Lewis）提出的。
作为一个事例，爱因斯坦提到了光电效应。
他解释说①：“能量子钻进物体的表面层，……，把它的全部能量给予了单个电子……，一个在物体内部具有动能的电子当它到达物体表面时已经失去了它的一部分动能。
此外还必须假设，每个电子在离开物体时还必须为它脱离物体做一定量的功P（这是物体的特性值——按：即逸出功）。
那些在表面上朝着垂直方向被激发的电子，将以最大的法线速度离开物体。
”这样一些电子离开物体时的动能应为：hν-P爱因斯坦根据能量转化与守恒原理提出，如果该物体充电至正电位V，并被零电位所包围（V也叫遏止电压），又如果V正好大到足以阻止物体损失电荷，就必有：eV=hν-P，其中e即电子电荷。
