大学物理《光电效应》精品课件.ppt

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光电效应实验光电效应实验物理实验教学中心物理实验教学中心光电效应简介光电效应简介光电效应是赫兹于光电效应是赫兹于18871887年验证电磁波存在时意外发现的，年验证电磁波存在时意外发现的，然而这一现象无法用经典物理理论对来进行然而这一现象无法用经典物理理论对来进行合理合理解释。

解释。

用用弧光灯照射擦得很亮的锌弧光灯照射擦得很亮的锌板，板，（注意用导线与不带电注意用导线与不带电的验电器相连的验电器相连），使验电器），使验电器张角增大到约为张角增大到约为3030度时，再度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。

张角会变大。

表明锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电在一定频率的光照射下，电子从金属或金在一定频率的光照射下，电子从金属或金属化合物表面逸出的现象称为属化合物表面逸出的现象称为光电效应光电效应，逸出，逸出的电子称为的电子称为光电子光电子。

由光电子形成的电流叫由光电子形成的电流叫光光电流电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的该种金属的逸出功逸出功。

在赫兹首次发现光电效应后，哈尔瓦克斯、勒在赫兹首次发现光电效应后，哈尔瓦克斯、勒纳德等人对光电效应做了长期的大量的深入研究，纳德等人对光电效应做了长期的大量的深入研究，18961896年汤姆逊发现了电子之后年汤姆逊发现了电子之后,勒纳德等证明了光电效应中发勒纳德等证明了光电效应中发出的是电子出的是电子并总结出了几条基本实验规律。

并总结出了几条基本实验规律。

因此贡献，勒钠德因此贡献，勒钠德等荣获等荣获19051905年度的诺贝尔物理学年度的诺贝尔物理学奖奖由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。

面的现象。

由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电性能增强的现象。

由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电性能增强的现象。

外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电效应实验装置光电效应实验装置实验中光电效应的基本规律如下：

实验中光电效应的基本规律如下：

（1）

（1）存在截止频率：

存在截止频率：

对某一种金属来说，只有当入射光的对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率频率大于某一频率00时，电子才能从金属表面逸出，这时，电子才能从金属表面逸出，这个频率个频率00叫做截止频率（红限叫做截止频率（红限频率）频率）.截止频率与材料有截止频率与材料有关，但与入射光强无关。

关，但与入射光强无关。

（2）光电流与入射光强度的关系光电流与入射光强度的关系光强一定时，随着光电管两端电压的增大光电流趋于一饱光强一定时，随着光电管两端电压的增大光电流趋于一饱和值；对于不同的光强，饱和电流与光强成正比。

和值；对于不同的光强，饱和电流与光强成正比。

（33）当加反向电压时，存在）当加反向电压时，存在遏止电压遏止电压，遏止电压的大小反映遏止电压的大小反映光电子初动能的大小。

光电子初动能的大小。

截止电压截止电压U0与入射光频率具有与入射光频率具有线性关线性关系系。

（44）光电效应是）光电效应是瞬时效应瞬时效应。

当光照射到金属表面时，。

当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电子逸出，几乎立即就有光电子逸出，不超过不超过109秒秒。

经典理论无法解释光电效应的实验结果经典理论无法解释光电效应的实验结果按照经典电磁理论，按照经典电磁理论，电子在电磁波作用下作受迫振动，电子在电磁波作用下作受迫振动，入射光的光入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。

也就是说，光电子的能光电子逸出的能量也应该越大。

也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。

不应该有什么截止频率。

光电效应实验表明：

饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光光电效应实验表明：

饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。

只要频率高于红限，既使光强很弱也有电子初动能也与频率有关。

只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。

光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。

光电效应具有瞬时性。

而光电效应具有瞬时性。

而经典认为光能量分布在波面上，吸收能经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。

量要时间，即需能量的积累过程。

光光的的波波动动理理论论在在解解释释光光电电效效应应时时遇遇到到了了巨巨大大的的困困难难。

后后来来，爱爱因因斯斯坦坦在在普普朗朗克克量量子子化化理理论论的的启启发发下下，提提出出了了光光子子学学说说普朗克爱因斯坦光子说光子说爱因斯坦在爱因斯坦在19051905年提出，在空间中传播年提出，在空间中传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子份叫做一个光量子，简称光子.光子的能量和频率成正比：

光子的能量和频率成正比：

Js光束由光束由光子光子构成，频率为构成，频率为vv的光束，光子能量为的光束，光子能量为当当光子光子照到金属表面时，其能量一次为金属中的电子全部吸收，照到金属表面时，其能量一次为金属中的电子全部吸收，而不需积累能量的时间。

而不需积累能量的时间。

电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的束缚而作功，余电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的束缚而作功，余下的就成为电子离开金属表面后的动能。

下的就成为电子离开金属表面后的动能。

爱因斯坦的光电效应方程：

爱因斯坦的光电效应方程：

爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释（1905（1905年）年）（11）当）当hhvvvvv00=W/hW/h（截止频率）时才发生截止频率）时才发生光电效应。

光电效应。

（2）

（2）即截止电压即截止电压UU00与入射光频率与入射光频率vv成线性关系。

成线性关系。

由实验可确定该直线的斜率，从而算出普朗克常数由实验可确定该直线的斜率，从而算出普朗克常数hh。

（由实验得由实验得）爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释（1905（1905年）年）（33）当频率一定时，入射光强）当频率一定时，入射光强PP越大，光子数目越多，越大，光子数目越多，则单位时间内产生光电子数目越多，饱和光电流强度就则单位时间内产生光电子数目越多，饱和光电流强度就越大。

越大。

即即在同一频率下，饱和光电流强度在同一频率下，饱和光电流强度IImm正比正比于入射光强于入射光强PP。

（44）当）当光子入射金属表面时，一个光子携带的能量光子入射金属表面时，一个光子携带的能量hhvv一次一次为一个电子全部吸收，若为一个电子全部吸收，若vvvv00，电子立即逸出而不需时间积，电子立即逸出而不需时间积累。

累。

即光电效应具有瞬时性。

即光电效应具有瞬时性。

爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释（1905（1905年）年）在普朗克获博士学位五十周年在普朗克获博士学位五十周年纪念会上普朗克向爱因斯坦颁纪念会上普朗克向爱因斯坦颁发普朗克奖章发普朗克奖章普朗克是该杂志的主编，他普朗克是该杂志的主编，他对爱因斯坦的工作给予了高对爱因斯坦的工作给予了高度的评价度的评价光电效应理论的验证光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应光电效应”实验，实验，结果在结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值符合得很好，又一次证明的值与理论值符合得很好，又一次证明了了“光量子光量子”理论的正确。

理论的正确。

实实验验内内容容11、测量测量IIUU伏安特性曲线伏安特性曲线（3650A（3650A、4047A4047A）先测先测3650A3650A的伏安特性曲线的伏安特性曲线顺时针旋转顺时针旋转“电压调节电压调节”旋钮，使电压由旋钮，使电压由-3V-3V逐渐逐渐升高到升高到30V30V，观察光电流的变化（每隔观察光电流的变化（每隔1V1V记一个电记一个电流值），记下一组流值），记下一组I-UI-U值，然后再将电压从值，然后再将电压从30V30V降降到到-3V-3V。

换上换上4047A4047A的滤色片，再测一遍。

的滤色片，再测一遍。

22、测量五个光频率的抬头电压测量五个光频率的抬头电压电压由电压由-3V-3V升高到升高到6V6V，间隔间隔1V1V测一个点。

当电流开测一个点。

当电流开始变化（急剧变化）时细测几个点（间隔始变化（急剧变化）时细测几个点（间隔0.1V0.1V或或0.2V0.2V）。

）。

电流起始点所对应的电压值为反向遏止电电流起始点所对应的电压值为反向遏止电压，即抬头电压。

压，即抬头电压。

实验内容对对5770A5770A波波长长的的光光，电电压压由由OVOV升升到到30V30V，记记下下饱饱和和电电流流值值，我我们们可可视视之之为为透透光光率率为为100%100%，再再把把透透光光率率为为75%75%、50%50%和和25%25%的的三三种种块块减减光光片片再再分分别别装装在在暗暗盒盒光光窗窗上上，电电压压都都是是从从0V0V升升到到30V30V。

由由此此可观察饱和电流与光的强度的关系，作记录。

可观察饱和电流与光的强度的关系，作记录。

33、测量、测量I-PI-P特性（光电特性）曲线特性（光电特性）曲线让汞灯预热让汞灯预热15-2015-20分钟。

分钟。

将将仪仪器器“电电流流量量程程”置置“A1A1”；“电电压压量量程程”置置“3V3V”；“电电压压极极性性”置置“”；电电压压逆逆时针调到最小。

时针调到最小。

调调整整光光源源到到光光电电管管的的距距离离让让光光源源出出光光孔孔与与暗暗盒盒入入光光孔孔水水平平对对准准，二二者者间间距距约约20cm20cm左左右右，改改变变光光源源与与光光电电管管的的距距离离，在在33伏伏电电压压时时，光光电电流流恰恰0.4A0.4A变到变到0.3A0.3A测量测量IIUU伏安特性曲线伏安特性曲线测量五个光频率的抬头电压测量五个光频率的抬头电压测量测量I-PI-P特性（光电特性）曲线特性（光电特性）曲线实验步骤实验步骤实验仪器介绍实验仪器介绍l光源，高压汞灯光源，高压汞灯l滤色片，五个频率滤色片，五个频率l光电管光电管:

为了避免杂散光和外界电磁场对弱光为了避免杂散光和外界电磁场对弱光电信号的干扰，光电管放置在铝质暗盒中，电信号的干扰，光电管放置在铝质暗盒中，通过放置各种带通滤色片获得各种频率的光。

通过放置各种带通滤色片获得各种频率的光。

l中中性性减减光光片片：

对对57705770时时，其其减减光光率率分分别别可可达达25%25%，50%50%和和75%75%。

l微电流测试仪：

见实物微电流测试仪：

见实物数据处理要求数据处理要求用计算机绘：

用计算机绘：

IIUU特性曲线特性曲线（3650A（3650A、4047A4047A）用计算机作出用计算机作出UU00-vv的实验直线，计算普朗克常的实验直线，计算普朗克常数与截止频率数与截止频率00注意事项注意事项1.1.更更换换滤滤色色片片时时注注意意避避免免污污染染，以以免免除除不不必要的折射光带来实验误差；必要的折射光带来实验误差；2.2.更更换换滤滤色色片片时时先先将将光光源源出出光光孔孔遮遮住住，而而且且做做完完实实验验后后也也要要用用遮遮光光罩罩盖盖住住光光电电管管入入光光孔孔，避避免免强强光光直直接接照照射射阴阴极极而而缩缩短短光电管寿命；光电管寿命；3.3.光光电电管管入入光光孔孔勿勿对对其其它它强强光光源源以以减减少少杂杂散光干扰。

散光干扰。

实验的关键是寻找遏止电压实验的关键是寻找遏止电压UUCC光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用11、光电管、光电管利用饱和电流与照射光利用饱和电流与照射光强的线性关系，实现光信强的线性关系，实现光信号和电信号之间的转换。

号和电信号之间的转换。

放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图如：

光控继电器、自动控制、如：

光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等.22、光电倍增管、光电倍增管光电倍增管可使光电阴极发出光电倍增管可使光电阴极发出的光电子增至的光电子增至倍，在探倍，在探测弱光方面得到广泛的应用。

测弱光方面得到广泛的应用。

33、光电成像器件、光电成像器件光电导摄像管等，可以将辐射光电导摄像管等，可以将辐射图像转换成或增强为可观察、记图像转换成或增强为可观察、记录、传输、存储和进行处理的图录、传输、存储和进行处理的图像，广泛地应用于天文学、空间像，广泛地应用于天文学、空间科学、电视等领域。

科学、电视等领域。