【矩道物理虚拟实验室】光电效应的实验规律

2022/11/2 10:55:35 矩道科技 产品动态

光电效应现象


       把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带负电,验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板,会发现验电器指针夹角变小,说明锌板带的负电荷变少了,这意味着紫外线会让电子从锌板表面逸出。


       照射到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出的现象称为光电效应

       为什么光能使金属表面的电子逸出?是不是所有的光都能使任何一种金属产生光电效应现象呢?


       实验发现,用日光灯照射锌板,无论光强度如何变化,验电器的指针都没有任何变化,说明日光灯产生的可见光并不能使锌板表面的电子逸出。



光电效应的实验规律




研究光电效应的电路

       用上面电路可以研究光电效应中光电子与照射光的强弱、光的颜色(光频率)等物理量之间关系。同时借助矩道物理虚拟实验室仿真实验平台对光电效应的实验规律进行讲解。


光电管





实验研究发现:

01

存在截止频率


       当入射光的频率小于某一值时,光电流消失,说明当入射光的频率低于某一值时不发生光电效应,这一频率被称为截止频率。实验表明,截止频率与金属自身的性质有关,不同的金属,其截止频率不同。

02

存在饱和电流


       在光照条件不变的情祝下,随着所加电压的增大,光电流趋于一个饱和值。也就是说,在电流较小时电流随着电压的增大而增大;但当电流增大到一定值之后,即使电压再增大,电流也不会再进一步增大了。

       这说明,在一定的光照条件下,单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的,电压增加到一定值时,所有光电子都被阳极A吸收,这时即使再增大电压,电流也不会增大。


       实验表明,在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。这说明,对于一定频率(颜色)的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。

03

存在截止频率


       如果施加反向电压,也就是阴极K接电源正极、阳极A接电源负极,在光电管两极间形成使电子减速的电场,电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压U称为遏止电压。


       进一步的实验表明,同一种金属对于一定频率的光,无论光的强弱如何,遏止电压都是一样的。光的频率改变时,遏止电压U也会改变。这意味着,对于同一种金属,光电子的能量只与入射光的频率有关,而与人射光的强弱无关。

04

光电效应具有瞬时性

       当频率超过截止频率时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快,即光电效应儿乎是瞬时发生的。


光电流与电压的关系


经典电磁理论的失效


       金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动,但在温度不是很高时,电子并不能大量逸出金属表面。这表明金属表面层内存在一种力,阻碍电子的逃逸。


       电子要从金属中挣脱出来,必须要外界对它做功获得一些能量,以克服这种阻碍,做功的最小值叫作这种金属的逸出功W。换句话说,电子要想从金属中脱离,至少要吸收W的能量。




        当光照射金属表面时,电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功,电子就能从金属表面逸出,这就是光电子。光越强,逸出的电子数越多,光电流也就越大。这些结论与实验相符。





       但是,按照经典的电磁理论,还应得出如下结论:

1

不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可以获得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率。

2

光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压U应该与光的强弱有关。如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量,这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。


       这些结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释,这引发了物理学家们的认真思考。


爱因斯坦的光电效应理论


       对于光电效应的解释,爱因斯坦是在普朗克量子假说的基础上作出的。为了解释光电效应,爱因斯坦认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,也就是说电磁波本身的能量也是不连续的。


       频率为γ的光的能量子为hγ,其中,h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。


       按照爱因斯坦的理论,当光子照到金属上时,它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收,金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hγ,在这些能量中,一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属,剩下的是逸出后电子的初动能Ek,即


       这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。它可以很好地解释光电效应实验中的各种现象:





🔷    这个方程表明,只有当hγ>W0时,光电子才可以从金属中逸出,W0/h就是光电效应的截止颜率。


🔷    这个方程还表明,光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关,而与光的强弱无关。这就解释了遏止电压和光强无关的实验现象。


🔷    电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时产生的。


🔷    对于同种频率的光,光较强时,单位时间内照射到金属表面的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多因而饱和电流较大。


       爱因斯坦由于提出了光电效应理论并经过密立根实验的进一步检验,而获得1921年的诺贝尔物理学奖。密立根也因一系列测定电子电荷(油滴实验)以及光电效应的工作而获得了1923年的诺贝尔物理学奖。


光的波粒二象性


       众所周知,在麦克斯韦的电磁理论建立之后,人们认识到光是一种电磁波,从而光的波动说被普遍接受,人们不再认为光是由粒子组成的。


      而爱因斯坦的光电效应理论(以及康普顿效应理论)表明,光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子(即一个个有确定能量和动量的“光子”)组成的。




       也就是说,光电效应重新揭示了光的粒子性。人们意识到,光既具有波动性,又具有粒子性。换句话说,光具有波粒二象性。


       此后,又经过一系列探索,人们最终建立了比较完善的,能统一描述光的波动性和粒子性的理论一量子电动力学。




       从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说,到麦克斯韦的光的电磁理论,再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学,人类对光的认识构成了一部科学史诗。


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