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4.2 光电效应
第四章 原子结构和波粒二象性
学习目标：
1. 通过实验了解光电效应的实验规律。
2. 知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。
光电效应发现史：
1887赫兹发现光电效应
1923密立根精确验证
1905勒纳德发现光电效应的重要规律。
1921年爱因斯坦提出光子说
一、光电效应现象
用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针出现张角，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。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
A
V
A
K
相关概念：
（1）光电效应：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象。
（2）光电子：在光电效应中逸出的电子称为光电子。
（3）光电流：光电子定向移动形成的电流叫光电流 ，光电子发射至光电流产最多相差10-9秒（瞬时性）。
二、探究光电效应规律
1. 实验发现以下规律：
（1）存在截止（极限）频率 ????????
?
①入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。
截止频率即为某金属发生光电效应所需要光的最小频率。
②不同的金属有不同的截止频率，相同的金属截止频率相同，与光强无关。
（2）逸出功 W0
①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不同的金属有不同的逸出功，相同的金属逸出功相同，与光强无关。
????????=????????????
?
①最大初动能定义：
光电效应中从金属出来的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为最大初动能。
②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入光的频率增大而增大；
（3）最大初动能Ekm
?
????
?
????????
?
实验电路如图甲（其中单色光的入口C用石英窗），用来测定光电子的最大初动能。当图中电流表A读数为零时，伏特表V中的读数就是下图中的U。
设光电子的最大初动能为12????????????2，若光电子置于匀强电场中，则光电子作匀减速直线运动。
在电子运动的位移上，设电势差为U，电子电量为e，当eU=12????????????2，电场对光电子做负功，光电子的动能将变为零,所以eU就代表光电子的最大初动能。
?
----
U
m , e
+ + + +
--
最大初动能的测定：
2. 电路加负向电压时：
①存在着遏止电压Uc：当U<0时，即电场阻止电子飞向阳极，但仍有电子飞向阳极，说明光电子有初动能。当反向电压增至一定值Uc时，光电流 I=0，Uc称为遏止电压。
--
②初动能最大的电子也不能到达阳极，即：
③对同频率的不同入射光强，遏止电压是相同的，y因为光电子的最大初动能与入射光的强度无关。
④遏止电压Uc随入射光频率的增大而线性增大。
2. 电路加负向电压时：
--
3. 电路加正向电压时：
①饱和光电流：按图乙装置，移动滑动变阻器滑片使伏特表V有一定读数，用一定强度的光照射K，电流表中有一定读数，这时改变K、A之间的电压，使其增大，电流表显示光电流在增大。但是，当K、A间电压足够大后，电流表读数不再改变，这就是饱和光电流。表明光电效应中产生的光电子已能全部到达A极。所以升高电压，电流也不会再增大。
--
乙
3. 电路加正向电压时：
②影响饱和光电流主要因素：当同颜色（同频率）的入射光越强(光电子越多)，单位时间内发射的光电子数越多，饱和电流越大。
--
乙
单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光强度成正比
光电效应的规律总结:
①各种金属都存在极限频率νc，
只有ν≥νc 才能发生光电效应；
②各种金属都存在逸出功W0=hvc；
③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，
只随入光的频率增大而增大；
④瞬时性（光电子的产生不超过10-9s）；
⑤电路加负向电压时存在遏止电压；
电路加正向电压时存在饱和光电流。
三、爱因斯坦光电效应方程
??爱因斯坦在1905年提出，在空间中传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子。
光子的能量和频率成正比：
E=hγ
?
1.光子说
光不仅在发射和吸收时以能量为 hν 的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 ν 的光是由大量能量为 ε = hν 的光子组成的粒子流组成的，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。
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了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功 W0 ，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出：
W0 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功； Ekm=12mev2为光电子的最大初动能。
?
eUc=Ekm=hvc=hv?W0
?
3.光子说对光电效应的解释
(1) 爱因斯坦的光电效应方程表明，光电子的初动能 Ek 与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当 hν > W0 时，才有光电子逸出，vc= W0 /h 就是光电效应的截止频率 。
光电效应显示了光的粒子性
(2) 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。
(3) 光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。
四、小结
一、光电效应现象
二、光电效应规律
（1）各种金属都存在极限频率νc，只有ν≥νc 才能发生光电效应。
（2）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。
（3）①光电子的最大初动能定义；
②与入射光的强度无关，只随入光的频率增大而增大。
（4）电路加负向电压时存在遏止电压，遏止电压Uc随入射光频率的增大而线性增大，与光强无关。
（5）电路加正向电压时存在饱和光电流，当同颜色（同频率）的入射光越强(光电子越多)，饱和电流越大。
三、爱因斯坦光电效应方程
1.下列说法正确的是（ 　 　）
A.金属的逸出功与入射光的频率无关
B.光电子的最大初动能越大，形成的光电流越强
C.入射光的强度越大，光电子的最大初动能越大
D.光电子的最大初动能与照射光的频率成正比
E.对于某种金属，只要入射光的频率低于金属的极限频率就不能发生光电效应
F.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大
G.相同频率的光照射不同金属，则从金属表面逸出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小
H.极限频率越大的金属材料逸出功越大
I.只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应
J.入射光的强弱一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多
五、典型例题
K.光子的能量跟它的频率有关
L.紫光光子的能量比红光光子的能量大
M.光子是具有质量、能量和体积的实物微粒
N.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子
O.金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属
P.在光电效应中，电子吸收足够能量后才可以逸出，所以发生光电效应的累积时间很长
Q.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应
R.若保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，则光子数目减小
S．光子与光电子的本质都是电子
T．只要入射光的频率大于金属的截止频率，就能发生光电效应现象
U．用相同频率的光照射不同的金属表面，发生光电效应时逸出的光电子最大初动能相同
V．电子吸收光子需要一定的积累能量的时间
W．普朗克把能量子引入物理学，认为“能量是连续变化的”
X．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
Y．一个高能量的光子可以使两个电子从金属表面逸出，成为光电子
Z．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒
AEGHKLNQRT
2．与光电效应有关的四个图（图像）如图所示，下列说法正确的是（　　）
A．根据图甲装置，若开始锌板不带电，用紫外线照射锌板，则验电器的张角变大，验电器带负电B．根据图乙可知，黄光越强，则饱和电流越大，说明光子的能量与光强有关C．由图丙可知，????????为该金属的截止频率
D．由图丁可知E等于该金属的逸出功
?
D
A.三种光的频率最大的是c
B.a、b、c三种光从同一种介质射向真空中，发生全反射的临界角最大的是c
C.用a光照射另外某种金属能发生光电效应，则用c光照射也一定能发生
D.通过同一个单缝装置进行单缝衍射实验,中央条纹宽度a光最宽
3．为了研究大量处于n=3能级的氢原子跃迁时的发光特点，现利用大量此种氢原子跃迁时产生的三种单色光照射同一个光电管，如图甲所示，移动滑动变阻器的滑片调节光电管两端电压，分别得到三种光照射时光电流与光电管两端电压的关系，如图乙所示，则对于a、b、c三种光，下列说法正确的是（　）
B
4．如图甲所示，一验电器与锌板相连，在O处用的紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角。现使验电器指针回到零，再用相同强度的黄光照射锌板，验电器指针无偏转。
（1）甲图中锌板带 电，指针带 电（“正”、“负”、“无”）；若改用强度更大的红外线灯照射锌板，
可观察到验电器指针 （填“有”或“无”）偏转。（2）某同学设计了如图
乙所示的电路，图中A
和K为光电管的两极，K
为阴极，A为阳极。现接通电源，用光子能量为6.4eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的示数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的示数恰好为零，读出此时电压表的示数为2.1V，则光电管阴极材料的逸出功为 eV，该阴极材料的截止频率为 Hz。（普朗克常量h=6.63*10-34 J·s，结果保留两位有效数字）（3）如图丙中Uc为反向遏止电压，v为入射光频率，改变入射光频率（都大于该光电管的截止频率）测得如图丙直线。若用逸出功更小的光电管作阴极材料，在图丙中画出可能的图像 。

5．如图甲所示为研究光电效应规律的实验装置，图乙是某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压????????与入射光频率v的关系图像。已知直线的纵、横截距分别为-a、b，电子电荷量为e，求：（1）普朗克常量和金属的逸出功（2）若入射光频率为3b，则光电子最大初动能
?

1．不同波长的电磁波具有不同的特性，在科研、生产和生活中有广泛的应用。a、b两单色光在电磁波谱中的位置如图所示。下列说法正确的是（　　）
A．若a、b光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大
B．若a、b光分别照射同一小孔发生衍射，a光的衍射现象更明显
C．若a、b光分别照射同一光电管发生光电效应，a光的遏止电压高
D．若a、b光分别作为同一双缝干涉装置光源时，a光的干涉条纹间距大
BD
六、衔接高考
2．如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压????????与入射光频率v的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知（　　）
?
A．钠的逸出功为h????????
B．钠的截止频率为8.5*1014 Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量h
D．遏止电压????????与入射光频率v成正比
?
A
3．被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星，领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测，其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中，有????（?????

A
4．一点光源以113W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6 × 10 - 7m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3 × 1014个。普朗克常量为h = 6.63 × 10 - 34J×s。R约为（ ）
A．1 × 102m B．3 × 102m C．6 × 102m D．9 × 102m
B
5．“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为????。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：（1）每个光子的动量p和能量E；（2）太阳辐射硬X射线的总功率P。
?
谢谢

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