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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 2 节: 光电效应
第 2节：光电效应
实验引入新课
锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小。
实验现象：
这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。
光电效应: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。
光电子:光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。
一、光电效应的实验目的和装置
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)等物理量间的关系。
2、光电效应的实验装置
⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。
⑵K在受到光照时能够发射光电子
⑶阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流
越大，说明光电效应越强。
阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。右图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。光电子从阴极K逸出后，在AK之间被电场加速。
1、实验目的
I
二、光电效应的实验规律
大量实验表明：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明已经没有
光电子了。νc称为截止频率
【截止频率（也叫极限频率）】：对于每种金属，都有相应确定的截止频率 νc 。
当入射光频率 ν > νc 时，电子才能逸出金属表面；
当入射光频率 ν < νc 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
(1)存在截止频率（极限频率）：vc
2、存在饱和电流
二、光电效应的实验规律
在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值
也就是说，在较小电流时电流随着电压的增大而增大;但当电流增大到移动值后，及时电压再增大，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。
2、存在饱和电流
二、光电效应的实验规律
　
在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。（饱和电流与入射光的强度有关其实是与光子数有关）
2、存在饱和电流
二、光电效应的实验规律
3、存在遏止电压：Uc
二、光电效应的实验规律
反向电压增加，光电流减小。光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。
????????????????????????=????????????
?
拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功：
二、光电效应的实验规律
①遏止电压:反向电压增加，光电流减小。使光电流减小到0的反
向电压UC称为遏止电压
????????????????????????=????????????
?
②同一种金属对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样
③光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。
②③这表明光电子的能量（动能）只与入射光的频率有关。而与入射光的强弱无关
4、光电效应具有瞬时性
实验发现：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过10－9 s，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小于10-9s，也就是说电子不需要积累能量的时间。
实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，
电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。
二、光电效应的实验规律
思考与讨论
金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则热运动，但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这说明什么？
说明金属表面存在一种力，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。
三、光电效应经典解释中的疑难
1.逸出功：
使电子脱离某种金属所做功的最小值叫逸出功.用W0表示，不同金属的逸出功不同.
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}几种金属的逸出功和极限频率
金属
钨
钙
钠
钾
铷
νc/1014Hz
10.95
7.73
5.53
5.44
5.15
W0/eV
4.54
3.20
2.29
2.25
2.13
三、光电效应经典解释中的疑难
当光照射金属表面是，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，这就是光子。光越强，逸出的电子越多，光电流也就越大。这些结论与实验相符。
按照光的电磁理论，还能得出与实验不相符的结论
三、光电效应经典解释中的疑难
2.光电效应与光的经典电磁理论的矛盾
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Uc应该与光的强弱有关
③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。
这些结论与实验结果相矛盾， 经典电磁理论更是无法解释。
3、光电效应经典解释中的疑难
①初动能与光强无关——取决于入射光的频率
②有截止频率——取决于金属的种类
③响应快慢与光强无关——没有能量积累过程
四、爱因斯坦的光电效应理论
1.光子（能量子）理论
能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。
爱因斯坦
爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论。
振动着的带电微粒的能量是不连续的
假定电磁波本身的能量也是不连续的
爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。
E = hν
光子的能量：
普朗克
2、光电效应方程
金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，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。
通过这个方程爱因斯坦完美地解释了光电效应实验的规律。
hv＝W0+EK
EK=hv-W0
爱因斯坦光电效应方程
注意：式中Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可
以是 0~ Ek 范围内的任何数值。
四、爱因斯坦的光电效应理论
——光电子最大初动能
——金属的逸出功
W0
式中 h 叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s)
3、光子说对光电效应的解释
Ek=hv-W0
⑴截止频率的解释
光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。
四、爱因斯坦的光电效应理论
刚好产生光电效应
截止频率
不能产生光电效应
能产生光电效应
光子具有一定的初动能
Ek = ?????????–W0
?
①斜率k=h（普朗克常数）
②横截距νc（极限频率）
③纵截距为－W0（逸出功的负值）
3、光子说对光电效应的解释
四、爱因斯坦的光电效应理论
⑴截止频率的解释
⑵遏止电压的解释
对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率v有关，与光强无关。
遏
止
电
压
3、光子说对光电效应的解释
四、爱因斯坦的光电效应理论
⑶瞬时性的解释
电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。
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。
⑷饱和电流的解释
到此为止爱因斯坦的光电效应理论（光量子理论）完美解释了光电效应的各种现象。
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发生的。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）。
3、光子说对光电效应的解释
四、爱因斯坦的光电效应理论
某金属的Uc-v图像
思考与讨论
四、爱因斯坦的光电效应理论
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 的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是饱和电压 Uc。
那么，怎样得到遏止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢?
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。
4、密立根验证光电效应方程
美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在 1915 年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。
光子像其他粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。
四、爱因斯坦的光电效应理论
两位物理大佬
爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖
密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖
四、爱因斯坦的光电效应理论
白天的天空各处都是亮的；宇航员在大气层外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，甚至可以看到星星.这是为什么？
这是因为没有大气对光进行散射
思考与讨论
五、康普顿效应和光子的动量
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????????相同的成分外，还有波长大于????????的成分，这个现象称为康普顿效应。
?
X射线
λ ＝λ0
石墨体
（散射物质）
λ =λ0
λ >λ0
利用经典物理学理论解释：入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，而带电粒子受迫振动的频率等于入射X射线频率，所以散射的X射线的频率就应该等于入射X射线频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。
1、康普顿效应
2、光子模型解释康普顿效应
五、康普顿效应和光子的动量
光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：
光子的动量
波长变长的解释
当光子与静止的电子发射弹性碰撞后，根据动量守恒，光子把一部分动量转移给电子，光子能量可能会减少为，有上式可知光子的动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长变长。同时光子使电子获得一定的动量。
康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖
干涉
衍射
表明光是一种波
表明光是一种粒子
光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
1、光的波动性和光的粒子性
光电效应
康普顿散射
六、光的波粒二象性
2、光的粒子性和波动性是相对的
波粒二象性
光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现
波长较短时，表现出粒子性
与物体相互作用时，表现出粒子性
传播的过程中，表现出波动性
波长较长时，表现出波动性
六、光的波粒二象性
3、人类对光的认识过程
牛顿光的微粒说
光是实物粒子
惠更斯和托马斯杨的光的波动说
光是振动形式在媒质的传播——波
到麦克斯韦的光的电磁理论
光是电磁波
爱因斯坦的光子理论
光是能量子即光子
六、光的波粒二象性
人类对光的认识构成了一部科学史诗
【例题1】三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1＞λ2＞λ3).分别用这三束光照射同一种金属.已知用光束2照射时，恰能产生光电子.下列说法正确的是（ ）
A.用光束1照射时，不能产生光电子
B.用光束3照射时，不能产生光电子
C.用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多
D.用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大
解析：
由于用光束2照射时，恰能产生光电子，因此用光束1照射时，不能产生光电子，而用光束3照射时，一定能产生光电子，故A正确，B错误；用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多，而由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与光的强弱无关，故C正确，D错误。
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 2 节: 光电效应
【例题2】如图所示是光电效应实验部分示意图。当用光子能量为hν＝3.1 eV的光照射其金属制成的极板K时，产生光电流。若K的电势高于A的电势，且电势差为0.9 V，此时光电流刚好截止。那么，当A的电势高于K的电势，且电势差也为0.9 V时，光电子到达A极时的最大动能是多大？此金属的逸出功是多大？
解析：
设光电子逸出时最大初动能为Ek，到达A极的最大动能为Ek′
当A、K间所加反向电压为0.9 V时，由动能定理有
eU＝Ek 得Ek＝0.9 eV
当A、K间所加正向电压为0.9 V时，由动能定理有
eU′＝Ek′－Ek 得Ek′＝1.8 eV
由光电效应方程有Ek＝hν－W0
得W0＝2.2 eV.
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 2 节: 光电效应
【例题3】美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ ）
A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C.X光散射后与散射前相比，速度变小
D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
解析：
在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，则光子动量减小，但速度仍为光速C。
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 2 节: 光电效应
【例题4】(多选)下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（ ）
A.有的光是波，有的光是粒子
B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D.康普顿效应表明光具有粒子性
解析：
一切光都具有波粒二象性，光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子，A错误；电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子，B错误；光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，C正确；康普顿效应表明光具有粒子性，D正确。
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 2 节: 光电效应

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