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2. 光电效应
人教版（2019）物理（选择性必修第三册）
第四章 原子结构和波粒二象性
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律
2.知道爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题
3.了解光的波粒二象性
锌板在照射下失去电子
当光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。
逸出的电子称为光电子。
问题：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，观察验电器指针的变化。
这个现象说明了什么问题？
正确教育
光电效应的
实验规律
1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。
1900年，普朗克提出了量子化假说。
1905年，爱因斯坦提出了光量子概念，解释了光电效应。
历史背景
一、光电效应的实验规律
下面我们用如图所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色（频率）等物理量之间的关系
如图，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。这导致电压U为0时电流I并不为0（滑片移到最左端时，电压U为0）。
1）存在截止频率
频率低于νc的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出，这个νc叫截止频率.
uA
A
K
窗口
I
2）存在饱和电流
光照条件不变时U增大，光电流I趋于一个饱和值.
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：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多.
3）存在遏止电压
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Uc称为遏止电压。
最大初动能：
与入射光的强度无关，只与入射光的的频率有关
4）光电效应的瞬时性
当频率大于νc，光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，产生光电流的时间不超过10-9s
截止频率
饱和电流
遏止电压
规律
→频率
→光强
→频率
瞬时<10-9s
令科学家感到困惑
正确教育
光电效应经典解释中的疑难
思考：人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。
温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。
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。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
截止频率ν0/×1014 Hz 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
逸出功W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
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。
光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc 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。
无法用经典的电磁理论来解释光电效应。
逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。
正确教育
爱因斯坦的光电效应理论
1.光子说：
光不仅在发射和接收时是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，每一份能量子叫做光子，能量 = hν.
2.光电效应方程：
逸出功
最大初动能
3.光子说对光电效应的解释
1）只有hν>W0,才有光子逸出。
2）光子的最大初动能与入射光频率有关，与光的强度无关。这就解释了遏止电压和光强无关.
3）电子一次性吸收光子的全部能量，不需要累积能量的时间，光电流几乎是瞬间产生的.
4）对于同种颜色的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大.
思考与讨论： 爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率 v 的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 Uc 。
那么，怎样得到截止电压 Uc 与光的频率 v 和逸出功 W0 的关系呢？
利用光电子的初动能
和爱因斯坦光电效应方程
可得：
对某确定的金属，由光子的初动能和光电效应方程
7.0
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
0.8
0.2
0.4
0.6
0
1
ν/1014Hz
Uc/V
Uc/V
Uc/V
Uc/V
Uc/V
Uc/V
根据光电效应测得h 与普朗克黑体辐射得出的h 在误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据，因此爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖.
密立根：
从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他的目的是：测量金属的截止电压Uc与入射光的频率v，由此算出普朗克常量h
并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性
实验的结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5% 的误差范围内是一致的。这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据。
爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年的诺贝尔物理学奖
正确教育
康普顿效应和光子的动量
1．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。
2．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，
发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同成分外，
还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质
对X射线的散射，证实了康普顿效应的普遍性。
一、康普顿效应
晶体
光阑
X 射线管
探
测
器
X 射线谱仪
石墨体
(散射物质)
j
0
散射波长
康普顿散射的实验装置
3.经典电磁波理论的困难
根据电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，射光频率应等于入射光频率。
无法解释波长改变和散射角的关系。
4. 光子的动量
(1) 表达式 p＝
(2) 说明
在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小，因此，有些光子散射后波长变长。
5．光子说对康普顿效应的解释
康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。X射线的光子不仅具有能量，也像其他粒子那样具有动量，康普顿效应是X射线的光子与晶体中的电子作弹性碰撞的结果，光子和电子相碰撞，遵守能量守恒定律和动量守恒定律。光子有一部分能量传给电子散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长，散射光的频率小于入射光的频率。
正确教育
光的波粒二象性
光子的能量： =hv
光子的动量：
1. 光具有粒子性：光电效应和康普顿效应
2. 光具有波动性：光的干涉、衍射、偏振、多普勒效应
普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁
4. 量子电动力学——描述光的波动性和粒子性的理论。
3. 光具有波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，光具有波粒二象性。
(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( )
(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( )
(3)发生光电效应时，光的颜色不变时，入射光越强，单位时间内发出的光电子数越多。( )
(4)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。( )
(5) “光子”就是“光电子”的简称。( )
(6)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( )
(7)饱和电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关。( )
经典例题
×
×
√
√
×
×
√
(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是(　　)
A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和电流变大
B．入射光的频率变高，饱和电流变大
C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
经典例题
AC
答案：AC
解析：保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出的光电子变多，饱和电流变大，A正确；饱和电流与光的强度有关，入射光的频率变高，饱和电流不一定变大，B错误，据爱因斯坦光电效应方程 可知，入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，C正确；当 hν < W0 时没有光电流产生，D错误。
如图所示，甲图为演示光电效应的实验装置，乙图为a、b、c三种光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线。下列说法正确的是(　　)
A．a、b、c 三种光的频率各不相同
B．b、c 两种光的光强可能相同
C．若b 光为紫光，a 光可能是蓝光
D．图甲中的滑动变阻器的滑片由图示位置向右滑动，电流表的读数会一直增大
经典例题
C
答案：C
解析：由光电效应方程及遏止电压与光的频率间的关系可得eUc＝Ek＝hν－W0，b、c 两种光的遏止电压相同，故频率相同，a光的遏止电压较小，频率较低，A错误；光的频率不变时，最大光电流与光强成正比，对比乙图可知，b 光较强，B错误；由以上分析可知，a 光频率较低，若b 光为紫光，a 光可能是蓝光，C正确；图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，增大光电管两端电压，且为正向电压，电流表的读数会增大，但达到饱和光电流后，就不会继续增大，D错误。
一、光电效应的实验规律
1.存在截止频率：对于任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；
2.存在饱和电流：当入射光的频率大于截止频率时，入射光越强，饱和电流越大；
3.存在遏止电压：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；
4.入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的。
二、爱因斯坦的光电效应理论

Ek ＝eUc
三、康普顿效应
1.康普顿效应；
2.经典物理解释的困难；
3.光子模型对康普顿效应的解释；
四、光电效应与康普顿效应发现的效应
光具有粒子性，光子具有动量
五、光的波粒二象性
如图，用弧光灯(可以发出紫外线)照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则(　　)
A．用紫外线照射其他与验电器相连的金属板，验电器指针也会发生偏转
B．用红光照射锌板，验电器指针一定会发生偏转
C．锌板带的是负电荷
D．使验电器指针发生偏转的是正电荷
D
答案：D
解析：不同金属发生光电效应需要的入射光的最小频率不同，选项A错误；红光的频率低于紫外线的频率，不一定能使锌板发生光电效应，B错误。在紫外线的照射下，锌板中有一部分电子从表面飞出，锌板带正电，选项D正确，C错误；
入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么(　　)
A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B．逸出的光电子的最大初动能将减小
C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
D．有可能不发生光电效应
C
答案：C
解析：发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误；入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少，频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误；入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故选项C正确；入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D错误。
如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。闭合开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为( )
A．1.9 eV
B．0.6 eV
C．2.5 eV
D．3.1 eV
A
答案：A
解析：由题意知光电子的最大初动能为Ek＝eUc＝0.6 eV，所以根据光电效应方程 Ek＝hν－W0 可得 W0＝hν－Ek＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV。
（多选）在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能产生光电效应。对于这两种过程，下列四个物理量中，一定不同的是( 　　)
A．遏止电压
B．饱和电流
C．光电子的最大初动能
D．逸出功
ACD
答案：ACD
解析：根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，其中W0为所用材料的逸出动，而锌和银这两种材料的逸出功W0一定不同，故可知光电子的最大初动能Ek 一定不同；又由于Ek＝eUc，故可知遏止电压Uc 一定不同。饱和电流的大小，与入射光的强度有关，故饱和电流不一定不同
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