光电效应

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量子物理波粒二象性爱因斯坦光子电子

光电效应

从实验现象到爱因斯坦方程,搞懂光子如何敲出电子

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量子物理波粒二象性爱因斯坦光子电子

光电效应

从实验现象到爱因斯坦方程,搞懂光子如何敲出电子

1第 1 页 · 光电效应

根据光电效应方程分析实验

上页我们看到光打金属能打出电子——但为什么红光再亮也没用,紫外光一照就有?这就需要把这件事量化。爱因斯坦用简洁的方程把光子能量、电子逸出功、电子动能三者的关系写清楚。

爱因斯坦光电方程
hν = W + E_km,光子能量分配为逸出功与电子最大动能
极限频率 ν₀
由 W/h 决定,低于此频率无论光多强都打不出电子
光强决定光子数
光强只影响单位时间打出的电子数(饱和电流),不改变单电子能量
遏止电压 U_c
反向加压使电流为零时的电压,eU_c = E_km,可直接测出最大动能
滑滑梯对应 →光电子能量守恒

起点高度=光子能量 hν,必须爬的台阶=逸出功 W,滑下速度²=剩余动能 E_km

hν=W+Ekm,Ekm=eUch\nu = W + E_{km},\quad E_{km} = eU_c
2第 2 页 · 根据光电效应方程分析实验

光电效应

上页我们用方程解释了实验数据,但这页要退一步看物理图景:光究竟是怎么把金属里的电子「踢」出来的?

定义
光照射金属,电子吸收光子后从表面逸出的现象
红限条件
入射光频率必须高于金属的红限频率,否则无论光多强都不发生
瞬时性
只要频率达标,光照与电子逸出几乎同时发生,时间小于 10⁻⁹ 秒
典型应用
光电管、太阳能电池、光电倍增管、夜视仪、CCD 图像传感器
敲门对应 →频率与强度

门要够力气才能开(频率决定单光子能量);力气不够敲多少次也开不了(强度只加光子数)

3第 3 页 · 光电效应

光电子

上一页我们用爱因斯坦方程解释了实验曲线,现在把镜头对准方程左边的 E_k——这个能量属于谁?属于光电子。

定义
金属表面原子吸收光子后被释放出来的电子
逸出条件
光子能量必须大于金属逸出功 W,否则电子飞不出来
动能来源
E_k = hν − W,只取决于光子频率,与光强无关
一对一关系
一个光子最多打出一个电子;光强只决定电子数量
典型应用
光电倍增管、真空光电管、夜视像增强器、光谱分析检测器
桌沿上的弹珠被弹弓打飞对应 →光电子逸出金属表面

弹弓拉力(单光子能量)要够大才能弹出,射再多发力度不够也不行

Ek=hνWE_k = h\nu - W
4第 4 页 · 光电子

截止频率

爱因斯坦方程告诉我们,光电子的最大动能随入射光频率升高而线性增加。但方程在某个点会失效——当 Ek=0 时,光电子"刚刚能出来",再多就出不来了。这个临界点对应的频率,就是截止频率。

定义
使金属恰好能发射光电子的最小入射光频率
取决于材料
由金属的逸出功决定,与入射光强度无关
临界条件
爱因斯坦方程 Ek=0,得 hν₀ = W
全或无
ν<ν₀ 时完全不发射,与光强、照射时间无关
金属差异
逸出功不同则 ν₀ 不同,如铯在可见光区、铂需紫外
跳高比赛中的横杆对应 →截止频率

每个光子须独自越过横杆;光强再大,单个跳不过仍无人出线

ν0=Wh\nu_0 = \dfrac{W}{h}
5第 5 页 · 截止频率

饱和电流

上一页我们讲了光电子从金属表面飞出。要把它们收集起来测电流,需要在对面放一块阳极并加上电压。电压慢慢升高,电流会怎样变化?会不会一直涨?

饱和电流
所有光电子都被阳极收集时的电流;电压再大,电流也不再增加
由光强决定
光强越大,单位时间入射光子越多,饱和电流越大;两者成正比
与光子能量无关
入射光频率再高,单个光子也只贡献一个电子,饱和电流不变
一光子一电子
每个被吸收的光子打出一个光电子;光强翻倍则电流翻倍
水龙头滴水、水桶接水对应 →光子打出电子、阳极收集

水龙头出水速率=光子打金属的速率;桶越正越接得多,但再多也超不过出水速率

Isat=neI_{sat} = ne
6第 6 页 · 饱和电流

遏止电压

前面我们用方程算出光电子最大初动能 Eₖ = hν − W。但实验室里怎么「测」这个能量?抓不住电子,但可以让电场去拦——加一个反向电压,让飞过来的电子减速,直到一个都过不来。

定义
光电管加反向电压,使光电流刚好降为零时的电压值 U₀
物理本质
eU₀ 等于最大初动能,把不可测的电子动能转化为可测电压
频率决定,与光强无关
U₀ 只取决于入射光频率,光强只改变单位时间发射的电子数目
实验利器
测不同频率下的 U₀ 作图,斜率即 h/e,截距可求逸出功 W
上坡滚球对应 →遏止电压

最快的球对应动能最大的电子;恰好让最快球停下的坡高就是 U₀

eU0=hνW0eU_0 = h\nu - W_0
7第 7 页 · 遏止电压

逸出功

上一页我们测出了光电子的最大动能 Ek。把它代回方程 hν = Ek + W₀,每个金属都会对应一个常数 W₀——这就是电子离开这块金属的'出场费'。

定义
电子从金属表面逸出所需的最小能量,记作 W₀
材料属性
由材料本身决定,与入射光无关;不同金属差异显著
与截止频率挂钩
W₀ = hν₀,是截止频率的'能量面孔'
典型数值
铯 1.9 eV、钠 2.3 eV、铜 4.7 eV;越小越易激发
物理图像
电子困在金属势阱里,光子给够能量才能翻越势垒
井底的人要爬出井口对应 →电子要离开金属表面

井壁高度 = 逸出功;至少要这么多能量才翻得出去

W0=hν0W_0 = h\nu_0
8第 8 页 · 逸出功

光子能量

上次提到要把电子从金属里敲出来,至少要克服'逸出功'。那光子本身到底要带多少能量才够?这就要看每个光子的能量由什么决定。

离散的能量子
光以光子为单位一份份传递能量,能量不可拆分,整份被吸收或发射
能量公式 E = hν
h 为普朗克常量 6.626×10⁻³⁴ J·s,ν 为光的频率
频率决定能量
光的强度只决定光子数量多少,单个光子的能量严格由频率 ν 决定
应用基础
光子能量阈值决定光伏电池、光电子能谱、X 射线成像等器件的选材依据
不同口径的子弹对应 →不同频率的光子

高速大口径子弹动能大可穿甲;高频紫外光子能量大能敲出电子,低频红光如橡皮弹打不动

E=hνE = h\nu
9第 9 页 · 光子能量

爱因斯坦光电效应方程

上一页我们把截止频率、逸出功、光子能量各自拎出来了。这一页,爱因斯坦用一条等式把它们焊在一起——这就是光电效应方程。

方程形式
光电子最大动能 = 光子能量 - 逸出功,记作 Ek(max)=hν-W₀
能量守恒解读
一个光子提供 hν 能量,其中 W₀ 克服金属束缚,剩余转为电子动能
截止频率表达
ν₀=W₀/h,低于此频率无论光强多大都不会产生光电子
h 的双重身份
把波动频率 ν 换算成粒子能量 hν,同时充当方程斜率
适用边界
只描述单光子能量分配,不解释电流大小与光强关系
把球从坑里推出来对应 →光子把电子推出金属

推力 hν = 爬出坑的 W₀ + 球滚出来的动能 Ek

Ek,max=hνW0E_{k,\max} = h\nu - W_0
10第 10 页 · 爱因斯坦光电效应方程

光子的动量

前页我们用 E=hν 解释了光怎么打出电子。但光不只是'给能量'——它也能'推'东西。彗尾总背着太阳、激光能夹住细胞,这都是光子的动量在起作用。

动量定义
p = h/λ = hν/c,方向沿光子传播方向
与能量的关系
E = pc;对比实物粒子 E²=p²c²+m²c⁴
光子无静质量
动量全来自运动,不能减速,只能被吸收
典型应用
辐射压、康普顿散射、光镊、太阳帆
小球撞墙对应 →光子产生辐射压

都有撞击效应,但光子无质量,p=h/λ 完全来自波动性

$p = \dfrac{h}{\lambda} = \dfrac{h\nu}{c}, \quad E = pc$
11第 11 页 · 光子的动量

康普顿效应

上一页我们把光子的动量 p=h/λ 写了出来,可凭什么说它真有动量?1923 年康普顿把 X 射线打进石墨,散射光里竟然多出一段明显更长的波长——这一「变长」只能用光子把动量交给了电子来解释。

定义
高能光子与近自由电子碰撞,散射光波长比入射光更长
康普顿公式
Δλ=(h/m_ec)(1−cosθ),θ 为散射角,偏移只与角度有关
康普顿波长
λ_C=h/m_ec≈2.43 pm,是 Δλ 在 θ=π 时的最大值
适用边界
电子须近似自由;可见光 λ≫λ_C,Δλ/λ 太小观测不到
物理意义
同时用动量守恒与能量守恒才能解释,光子确具动量
运动小球撞静止小球对应 →光子撞自由电子

动球减速(光子波长变长),能量转给静球(电子获得动能飞出)

Δλ=hmec(1cosθ)=λC(1cosθ)\Delta\lambda=\frac{h}{m_e c}(1-\cos\theta)=\lambda_C(1-\cos\theta)
12第 12 页 · 康普顿效应

波粒二象性

光电效应让我们看到光像粒子——有确定能量,一份一份作用;干涉衍射又让我们看到光像波——能叠加、能绕障。同一个东西,怎么能同时是两种完全不同的东西?

波粒互补
同一实验只展现一种性质,不同实验展现不同侧面,两种描述缺一不可
光的两面性
光电效应、康普顿效应体现粒子性;干涉、衍射体现波动性
物质也是波
德布罗意提出:电子、原子甚至分子都有波长,λ = h/p
超越经典图像
并非光在波和粒子间切换,而是经典概念本身不完备
投影看圆柱对应 →波粒二象性

正面投影像矩形(连续如波),侧面投影像圆(分立如粒子),两者都是真实投影但都不能完整描述圆柱本身

λ=hp\lambda = \frac{h}{p}
13第 13 页 · 波粒二象性

本节要点

串联本节知识点,给出记忆锚点与易错提醒

本节要点
串联本节知识点,给出记忆锚点与易错提醒
14第 14 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考再看参考答案,三问覆盖回顾、应用与拓展。

1爱因斯坦的光子假说与普朗克的能量量子化有何联系与区别?

参考答案都提出能量有最小单元;区别在于普朗克只让振子能量量子化,而爱因斯坦认为光场在空间本身也是一份份的。

2逸出功大的金属一定更难被打出光电子吗?还需要考虑什么?

参考答案不一定。能否打出电子取决于入射光子能量hv是否大于逸出功W,所以还与入射光频率有关;逸出功只决定截止频率。

3光电效应和康普顿效应都体现光的粒子性,两者在证明方式上有何本质区别?

参考答案光电效应证明光子有能量(一份份地交换能量);康普顿效应证明光子还有动量(碰撞后波长改变),二者互补支撑二象性。

15第 15 页 · 课后思考