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§4.2 光电效应
高二物理（人教版2019）
选择性必修 第三册
第四章 原子结构和波粒二象性
思考与讨论:
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？
用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小,说明锌板带的负电荷变少了。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。
1.光电效应：照射在金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。
逸出的电子称为光电子。
一、光电效应的实验规律
2.光电管：利用光电效应制成的一种光学元件，
它的作用是把光信号转变为电信号。
一、光电效应的实验规律
1.实验目的：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。
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。
一、光电效应的实验规律
一、光电效应的实验规律
（1）当入射光频率减小到某一数值 c 时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。 c称为截止频率或极限频率。即当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。
3.存在截止频率
（2）金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。
（3）入射光频率低于截止频率时，不光光照多强，金属都不会发生光电效应。
（4）不同金属的截止频率不同，截止频率与金属自身的性质有关。
4.存在饱和电流
一、光电效应的实验规律
4.存在饱和电流
（2）在光的频率（颜色）不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。
（1）在光照不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。
即电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会进一步增大了.
一、光电效应的实验规律
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。
施加反向电压
一、光电效应的实验规律
5.存在遏止电压
（1）当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称遏止电压。
一、光电效应的实验规律
5.存在遏止电压
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：
－
+ + + + + +
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
光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。
一、光电效应的实验规律
5.存在遏止电压
（1）当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，
光电流恰为0。Uc称遏止电压。
（2）同一种金属对于一定频率(颜色)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压UC是一样的；
（3）光的频率 改变，遏止电压UC也会改变。
（4）这表明对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，
而与入射光的强弱无关。
当频率超过截止频率vC时，无论入射光的强度怎么微弱，照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时发生的。
6.光电效应具有瞬时性
一、光电效应的实验规律
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”）。
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：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小
叫做这种金属的逸出功。
即电子要想从金属中脱离，至少要吸收W0的能量。
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
光的经典电磁理论无法解释的光电效应的三个实验结果：
2.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。
1.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。
3.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。
二、光电效应经典解释中的疑难
这些结论与实验结果相矛盾， 经典电磁理论更是无法解释。
1.光子：
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。这些能量子后来被称为光子。
三、爱因斯坦的光电效应理论
2.爱因斯坦的光电效应方程：
当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子的能量hv后，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：
hv＝W0+EK
EK=hv-W0
光电效应方程
——光电子最大初动能
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。
三、爱因斯坦的光电效应理论
3.光电效应的Ek-ν图像：
①斜率k=h（普朗克常数）
②横截距νc（截止频率）
③纵截距为－W0（逸出功的负值）
Ek = –W0
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
hv=W0
→
就是截止频率
4.光子说对光电效应的解释
三、爱因斯坦的光电效应理论
EK=hv-W0
⑵遏止电压的解释
对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。
eUc=hv-W0
遏
止
电
压
EK=hv-W0
4.光子说对光电效应的解释
三、爱因斯坦的光电效应理论
⑶瞬时性的解释
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）。
EK=hv-W0
4.光子说对光电效应的解释
三、爱因斯坦的光电效应理论
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，容易测量的是遏止电压 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
某金属的Uc-v图像
EK=hv-W0
实验的结果是，根据光电效应测得h与普朗克黑体辐射得出的h在0.5%的误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据。
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。
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：测量金属的遏止电压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。
5.密立根验证光电效应方程
光电效应显示了：光子和其他粒子一样，也具有能量，光具有粒子性。
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
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的现象。
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
四、康普顿效应和光子的动量
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
3.经典物理学理论无法解释康普顿效应
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。相应的，X射线的波长也不会在散射中发生变化。
四、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：
爱因斯坦质能方程：
光子能量：
E=hν
4.光子模型解释康普顿效应
波长变长的解释：
P↓
——λ↑
四、康普顿效应和光子的动量
4.光子模型解释康普顿效应
（1）若光子和外层电子相碰撞，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。
（2）若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。
（3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。
四、康普顿效应和光子的动量
5.康普顿散射实验的意义
（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。
（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。
（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。
五、光的波粒二象性
1.人们对光的认识
牛顿的微粒说
惠更斯和托马斯杨的波动说
麦克斯韦的电磁理论
爱因斯坦的光子理论
2.光具有波粒二象性
(1)光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
(2)光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。
光子能量：E=hν 粒子性
光子动量： 波动性
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
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

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