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§4.2.1 光电效应
高二物理（人教版2019）
选择性必修 第三册
第四章 原子结构
思考：用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角张开，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。说明了什么问题？
验电器张角张开表明锌板在射线照射下带了电。
玻璃棒去靠近锌板验电器的指针张角会变大表明锌板失去电子而带正电。
一、光电效应现象
1.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。这个现象称为光电效应。
2.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、光电效应现象
1、存在截止频率（极限频率）vc：对于每种金属，都有相应确定的截止频率 νc 。当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应.
二、光电效应的实验规律
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。
光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。
二、光电效应的实验规律
2、存在饱和电流：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。在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。
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。
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。
二、光电效应的实验规律
3、存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，
且满足 ＝eUc
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。
－
+ + + + + +
一 一 一
v
E
E
U
F
K
A
（光电子速率最大值为vC，UC为遏止电压）
二、光电效应的实验规律
4、光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的.
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<10-9s，也就是说电子不需要积累能量的时间。
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。
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”）。
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
1、逸出功：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。
三、光电效应解释中的疑难
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
不同种类的金属，其逸出功的大小不相同.
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。
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
三、光电效应解释中的疑难
光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。
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。
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，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。
以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
2、光电效应经典解释（光的电磁理论——光是电磁波）
三、光电效应解释中的疑难
如果按照经典的电磁理论应有：
四、爱因斯坦的光电效应理论
普朗克的能量量子化观点认为：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。每一份称为光子。
E = hν
光子的能量：
1、爱因斯坦的光子理论：
EK=hv-W0
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：光电子最大初动能
W0：金属的逸出功
光电效应方程
式中 h 叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s)
四、爱因斯坦的光电效应理论
2、爱因斯坦光电效应方程：
3.、对光电效应方程的理解
（1）光电子的动能：
方程 Ek = hν － W0 中，Ek 为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零到最大值范围内的任何数值。
（2）方程实质：
方程 Ek = hν － W0 实质上是能量守恒方程。
（3）产生光电效应的条件：
方程 Ek = hν － W0 包含了产生光电效应的条件， 即要产生光电效应，须 Ek = hν － W0 > 0，亦即 hν > W0，ν > W0 /h，而 νc = W0 /h 就是金属的极限频率。
四、爱因斯坦的光电效应理论
（4）截止频率 νc（极限频率）
方程 Ek = hν － W0 表明，光电子的最大初动能Ek 与入射光的频率 ν 存在线性关系（如图所示），与光强有关。图中横轴上的截距是截止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量。
（5）逸出功
方程 Ek = hν － W0 中的逸出功 W0 为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量，不同金属的逸出功是不同的。上图中纵截距为－W0（逸出功的负值）
四、爱因斯坦的光电效应理论
（6）光电效应规律中的两条线索、两个关系
① 两条线索
强度 —— 决定着每秒钟光源发射的光子数
频率 —— 决定着每个光子的能量 hv
每秒钟逸出的光电子数 —— 决定着光电流的强弱
光电子逸出后的最大初动能 mvm2 /2
照射光
光电子
② 两个关系
光越强 → 光子数目多 → 发射光电子多 → 光电流大；
光子频率高 → 光子能量大 → 产生光电子的最大初动能大（遏止电压大）。
四、爱因斯坦的光电效应理论
（7）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。
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）。
四、爱因斯坦的光电效应理论
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“光子”理论的正确。
光电效应显示了光的粒子性。
四、爱因斯坦的光电效应理论
1、在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是
A.验电器的指针带正电
B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大
C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内
产生的光电子数减少
D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生
光电效应
√
课堂练习
2、用如图所示的装置研究光电效应现象，当用某种频率的光照射到光电管上时，电流表 的读数为I.则
A.将开关S断开，也会有电流流过电流表
B.将变阻器的触点c向a移动，光电子到达阳极时的速度必
将变小
C.如果减小入射光的光强，光电管中可能不会有光电子产生
D.如果将电池极性反转，光电管中可能不会有光电子产生
√
课堂练习
3、在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是
A.若νa＞νb，则一定有Ua＜Ub
B.若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb
C.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb
D.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb
√
√
课堂练习

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