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§2 光电效应
高二物理（人教版2019）
第四章 原子结构和波粒二象性
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？
新课导入
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。
窗口
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。
I
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
一、光电效应的实验规律
→跟材料有关
（1）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称为截止频率或极限频率。即入射光的频率必须高于截止频率νc才能发生光电效应。
（2）不同金属的截止频率νc 不同，即截止频率与金属自身的性质有关。
①当入射光频率 ν > νc 时，电子才能逸出金属表面；
②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。
3、存在截止频率（极限频率）νc
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。
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。
4、存在饱和电流
　
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。（饱和电流与入射光的强度有关其实是与光子数有关）
4、存在饱和电流
－
+ + + + + +
一 一 一
v
加反向电压，如右图所示：
光电子作减速运动。若速率最大的记为vC
最大的初动能
U=0时，I≠0，
因为电子有初速度
则I=0，式中UC为遏止电压
E
E
U
F
K
A
速率最大的是 vc
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：
遏止电压Uc
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。
　
　
　
使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。
①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
②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。
③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
最大初动能
遏止电压Uc
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。
更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9 s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。
6、光电效应具有瞬时性
新课讲授
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？
思考与讨论:
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，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。
二、光电效应经典解释中的疑难
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。
几种金属的截止频率和逸出功
逸出功的大小取决于金属的特性
光电效应经典（光的电磁理论——光是电磁波）解释：
⑴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。
⑵光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
⑸如果光很弱，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。
⑶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；
⑷光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关；
这些结论与实验结果相矛盾， 经典电磁理论更是无法解释。
光电效应经典解释中的疑难
三、爱因斯坦的光电效应理论
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。
普朗克
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。
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：
1.光量子理论
EK=hv-W0
????????=12????????????????2
?
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
——光电子最大初动能
——金属的逸出功
W0
光电效应方程
式中 h 叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s)
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。
2、光电效应方程
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。
hv>W0
→产生光电效应
hv→无光电效应
????????=????0?
?
hv=W0
→
就是极限频率
（也叫极限频率）
3、光子说对光电效应的解释
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）
光电效应图像
EK=hv-W0
⑵遏止电压的解释
????????=12????????????????2
?
12????????????????????=????????????
?
对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。
eUc=hv-W0
遏
止
电
压
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）。
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?
????????=??????????????0????
?
EK=hv-W0
????????=12????????????????2
?
12????????????????????=????????????
?
某金属的Uc-v图像
思考与讨论
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。
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。
4、密立根验证光电效应方程
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
两位wuli大佬
四、康普顿效应和光子的动量
X射线
λ ＝λ0
石墨体
（散射物质）
λ =λ0
λ >λ0
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）康普顿效应
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。
?
（1）光的散射
说明能量有损失，导致波长变长。
1、康普顿效应
入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，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，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。
1923年，康普顿的学生，中国留学生吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。1925—1926年，吴有训用银的X射线为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。
2、光的散射经典解释
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：
爱因斯坦质能方程：
光子能量：
波长变长的解释：
P↓
——λ↑
式中h为普朗克常量,????为光波的波长.
?
3、光子模型解释康普顿效应
五、光的波粒二象性
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
1、人类对光的认识过程
T /年
波动性
粒子性
1690
惠更斯
波动说
1672
牛顿
微粒说
1905
爱因斯坦光子说
1864
麦克斯韦电磁说
1801
托马斯·杨双缝干涉实验
1814
菲涅耳衍射实验
1888
赫兹电磁波实验
赫兹发现光电效应
1916
密立根光电效应实验
1922
康普顿效应
牛顿微粒说占主导地位
波动说渐成真理
1909
爱因斯坦光的波粒二象性
光学发展史
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。
光电效应
康普顿散射
2、光的波动性和光的粒子性
波粒二象性
传播的过程中，表现出波动性
波长较长时，表现出波动性
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
光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现
3、光的粒子性和波动性是相对的

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