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高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性
第二节 光 电 效 应
问题
此时会看到验电器的薄片张角逐渐减小，这说明紫外光照射会使电子从锌板表面逸出。
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。
照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应，这种电子称为光电子。
一、光电效应现象
1887年，赫兹在研究电磁波的实验中最早发现了光电效应现象。后来这一现象引起许多物理学家的关注和深入研究。
二、光电效应的实验规律
1. 研究光电效应的电路
① 光电管：由真空玻璃管、阴极K、阳极A组成：阴极K在受到光照时能够发射光电子
② 辅助电路：由电源、滑动变阻器、灵敏电流计、电压表、电建组成 ：阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流。
③ 电路各部分的作用：
电 源：为A、K两极间提供正向电压（或反向电压）；
滑动变阻器：调节A、K两极间电压大小；
电 压 表：测量所加电压大小；
电 流 表：测量光电流大小。
研究光电效应的电路
光电管
二、光电效应的实验规律
2. 实验规律：(1) 存在截止频率
实验表明：每种金属，都有确定的截止频率νc ，截止频率只与金属自身的性质有关：
入射光频率ν > ν c ，电子才能逸出金属表面；
入射光频率ν < ν c，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
二、光电效应的实验规律
2. 实验规律：(2) 存在饱和电流
实验表明：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。
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：对于一定频率的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
二、光电效应的实验规律
2. 实验规律：(3) 存在遏止电压
使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子初速度的最大值vc应该满足关系：
实验表明：同一种金属对于一定频率的光，无论光的强度如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变，遏止电压也会改变，频率越大，遏止电压越高。
这说明：对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。
二、光电效应的实验规律
2. 实验规律：(4) 光电效应具有瞬时性
实验表明：无论入射光多弱，都会在照射到金属时立即产生光电子，精确测量表明这个时间<10-9s，也就是说光电效应几乎是瞬时发生的。
三、光电效应经典解释中的疑难
1. 与实验相符的经典解释
① 金属的逸出功：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，必须获得一些能量，以克服这种阻碍；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。
② 光电子逸出：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；
③ 光的强弱与饱和光电流：光越强，单位时间内逸出的电子数越多，饱和光电流也就越大。
三、光电效应经典解释中的疑难
2. 光的电磁理论与光电效应的矛盾
① 截止频率：不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸
出表面，不应存在截止频率；
② 遏止电压：光越强，光电子的最大初动能应该越大，所以遏止电压UC 应与光的强弱有关；
③ 瞬 时 性： 如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需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10 -9 S。
四、爱因斯坦的光电效应理论
1. 光子说
爱因斯坦认为，不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为 ν 的光的能量子为 hν，h 为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。
2. 爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 hν ，电子要从金属中挣脱出来，至少要克服金属的逸出功 W0，故逸出后电子的最大初动能：
Ek = hν - W0
① Ek = hν－W0 表明：只有当 hν > W0 时，光电子才可以从金属中逸出， νc = W0 /h 就是金属的截止频率。
四、爱因斯坦的光电效应理论
3. 对光电效应的解释
② Ek = hν－W0 表明：光电子的最大初动能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。
③ 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎是 瞬时产生的。
④ 对于同频率的光，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。
四、爱因斯坦的光电效应理论
4. 对光电效应方程的检验
根据光电效应方程可得：
对于确定的金属，其逸出功是确定的，Uc与光的频率v之间是线性关系。1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的实验技术测量光电效应中几个重要的物理量，1916年，他的实验结果完全肯定了爱因斯坦光电效应方程。
【爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年诺贝尔物理学奖】
四、爱因斯坦的光电效应理论
5. 光电效应的两条线索、两个关系
五、康普顿效应和光子的动量
1. 光的散射
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。按照经典物理学的理论，散射光的频率应该与入射光的频率一致。
2. 康普顿效应
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 相同的成分外，还有波长大于 λ0 的成分，这个现象称为康普顿效应。
五、康普顿效应和光子的动量
3. 康普顿用光子说对康普顿效应的解释
① 光子的动量
② 对效应的解释
【康普顿因此而获得了1927年的诺贝尔物理学奖】
六、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。
光
电
效
应
光电效应的实验规律
爱因斯坦的光电效应理论
康普顿效应和光子的动量
光的波粒二象性——量子电动力学
光电效应经典解释中的疑难
1887年，赫兹在发现了光电效应现象
光电效应现象
①存在截止频率； ②存在饱和电流；
③存在遏止电压； ④具有瞬时性。
①无法解释存在截止频率；
②无法解释遏止电压与光强无关；
③无法解释光电效应的瞬时性。
①光子的能量： =hv
②光电效应方程：Ek = hν－W0
③对光电效应是按规律的解释（略）
内 容 小 结：
典例分析
【例1】如图所示为研究光电效应现象的实验原理图。已知光电管阴极材料的极限频率为ν0，现用频率为ν(ν>ν0)的单色光照射光电管，发现滑动变阻器的滑片P处于图示位置时，灵敏电流计的示数为零，下列说法正确的是(　 　)
A. 灵敏电流计的示数为零，是因为没有发生光电效应
B. 若不断向左移动滑片P，则灵敏电流计一定会有示数
C. 若不断向右移动滑片P，则灵敏电流计一定会有示数
D. 仅不断增大入射光的光照强度，灵敏电流计一定会有示数
C
【例2】如图所示，图线A、B分别是金属A和金属B的遏止电压Uc和入射光频率ν的Uc——ν图像，则由图可知(　 　)
A．金属A的逸出功大于金属B的逸出功
B．金属A的截止频率小于金属B的截止频率
C．图线的斜率为普朗克常量
D．如果用频率ν=5.5×1014Hz的入射光照射两种金属，从金属A逸出的光电子的最大初动能较大
典例分析
BD

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