光电效应 (1)

西安理工大学 教学实习报告

题 目 光电效应 专 业 应用物理学 班 级 应物112 学 号 ××××××××× 学 生 × × × 指导教师 解光勇

2013 年 光电效应 摘要光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转

换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的(两个电极之一收到紫外光照射时，放电现象就比较容易发生，这是光电效应的早期征兆)。 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs)证实是由于在放电间隙内出现荷电体的缘故。 1899年，J·J·汤姆孙通过实验证实该荷电体与阴极射线一样是电子流。 1899—1902年间，勒纳德（P·Lenard）对光电效应进行了系统研究，并命名为光电效应。 1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。 关键词：关电效应 光电子 遏止电压 爱因斯坦关电假说 爱因斯坦光电

效应方程 一 教学目的 1. 知道什么是光电效应 2. 明白光电效应的基本规律 3. 运用光电效应解释一些物理现象 4. 了解光电效应的应用 5. 通过对光电效应的发现、假设、分析证实、应用等方面的学习，提高学生观察分析能力。 二 教学重点 1． 哪些条件下才可能发生光电效应规律 2． 光电效应的发生于哪些因素有关系 3． 光电效应与波动理论的矛盾 4． 爱因斯坦的光子假设及其光电方程 5． 光电效应的应用 三 教学难点 1．光电效应的一般规律及其与经典理论的矛盾意义 2. 爱因斯坦的量子解释 四 教学方法 阅读，理解，分析，讲解 五 教材分析 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现，。 两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。

图 1 光电效应演示图 大约1900年， 马克思·普朗克（Max Planck）对光电效应作出最初 解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=h错误！未找到引用源。 ， E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一个常数，统称布兰科（普朗克）常数（Planck's constant）， 而f就是光源的频率。 也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布兰科（普朗克）自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。 1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ， 1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，错误！未找到引用源。=h错误！未找到引用源。-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而错误！未找到引用源。就是电子自由后具有的动能。

六 教学过程 1. 引入课题 光电效应的现象：在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。 光电效应：当波长较短的可见光或紫外光照射到某些金属表面上时,金属中有电子逸出的现象。（Photoelectric effect）在光电效应中逸出的电子称为光电子。 2. 简介 ⑴爱因斯坦生平 阿尔伯特.爱因斯坦于 1879年3月14日出生在德国符腾堡的乌尔姆。他的父亲是赫尔曼.爱因斯坦，母亲叫波林，都是犹太人，有一个妹妹，叫马丽亚。他于1891年脱离德国国籍，1901年获准成为瑞士公民。1914年 起，大部分时间在德国工作，直到1935年纳粹上台，移居美国．1921年因对理论物理学所做的贡献，特别是因发现了光电效应定律而获诺贝尔物理学奖。 ⑵光电效应发展史 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs)证实是由于在放电间隙内出现荷电体的缘故。1899年，J·J·汤姆孙通过实验证实该荷电体与阴极射线一样是电子流。 1899—1902年间，勒纳德（P·Lenard）对光电效应进行了系统研究，并命名为光电效应。 1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。 3 实验过程 1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套作为接收器。他意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。 图2 用光线照射金属板 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。 1899年，J.J.汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。 1899—1902年，勒纳德（P.Lenard，1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总结出了光电效应的一些实验规律。根据动能定理：qU=mv^2/2 可计算出发射出电子的能量得出：hf=(1/2)mv^2+I+W

图3 光电效应实验电路

图 4 伏安特性曲线 深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。 4 光电效应的一般规律及其与经典理论的矛盾 ⑴实验结论（图3） A、反向电压加至Ua时光电流为零，称Ua为遏止电压。遏止电压的存在说 明光电子具有初动能: 错误！未找到引用源。=|e错误！未找到引用源。| 实验表明：遏止电势差Ua 与光强度无关。 B、存在遏止频率（又称红限频率） 实验表明：遏止电势差Ua 和入射光的频率之间具有线性关系错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。m错误！未找到引用源。 C、要使光所照射的金属释放电子，入射光的频率必须满足： 错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。红限（遏止频率） D、弛豫时间 实验表明，从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光的强度如何，这段时间很短，不超过错误！未找到引用源。s 。 ⑵由实验得出光电效应的一般规律 A、饱和电流的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比。 B、光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有。频率越高，光电子的能量就越大。 C、频率低于极限频率的入射光，无论光的强度多大，都不能使光电子逸出。

图5 遏止电势差与频率的关系 D、光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内（10^-9＜s）观察不出这两者之间存在滞后现象。 ⑶与经典理论的矛盾 在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。根据经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电磁波的频率无关。而实验规律中的第二、三点显然用经典理论无法解释。第四点也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。 光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。所有这些实际上已经曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。 5 爱因斯坦的量子解释 ⑴ 爱因斯坦的光子假设及其光电方程 1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广。他指出：不仅黑体和辐射场的能量交换是量子化的，而且辐射场本身就是由不连续的光量子组成，每一个光量子的能量与辐射场频率之间满足ε=hν，即它的能量只与光量子的频率有关，而与强度（振幅）无关。 根据爱因斯坦的光量子理论，射向金属表面的光，实质上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当他照射到金属表面时，电子吸收了这一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小于电子脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。此时逸出电子的动能、光子能量和逸出功之间的关系可以表示成：光子能量= 移出一个电子所需