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第四章 原子结构和波粒二象性
第2节 光电效应（第二课时）
知识回顾
1、什么是光电效应？
2、光电效应的实验规律有哪些？
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。从金属表面逸出的电子称为光电子。
(1) 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；
(2) 发生光电效应时，入射光越强，饱和电流越大；
(3) 发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；
(4) 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s
一、逸出功
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。
逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功。
不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。
几种金属的截止频率和逸出功
二、光电效应经典解释中的疑难
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。
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；
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。
结论与实验相符
结论与实验结果相矛盾，
经典电磁理论无法解释。
三、爱因斯坦的光电效应理论
1. 光量子理论 (爱因斯坦的光子说)
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。
假定电磁波本身的能量也是不连续的
振动着的带电微粒的能量是不连续的
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。光子的能量： （ν为光的频率）
2. 光电效应方程
金属中的一个电子吸收一个光子的能量hv后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：hv＝W0+EK
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。
爱因斯坦光电效应方程可以很好地解释光电效应实验中的各种现象。
3. 光电效应中的图线
（1）光电效应的 Ek-ν 图像：
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）
（2）光电效应的Uc—ν 图像：
① 横轴上的截距是截止频率或极限频率（νc）
② 纵轴上的截距是-W0 /e
③ 图线的斜率是h/e
光电子的初动能Ek与入射光的频率v成线性关系，与光强无关。
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。
4. 光子说对光电效应的解释：
③ 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。
④ 对于同种颜色（频率相同）的光，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。
② 这个方程还表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν 有关，而与入射光的强弱无关。这就解释了遏止电压与光强无关。
① 光电效应方程 EK = hv－W0 表明，只有当 hν>W0 时，光电子才可以从金属中逸出，
就是光电效应的截止频率。
5. 光电效应理论的验证
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。
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。
由于爱因斯坦发现了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。
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。
四、康普顿效应和光子的动量
1. 光的散射：光束通过某些介质时，因与物质微粒相互作用，使光的传播方向发生改变，从侧面可以看到光的现象叫做光的散射。
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λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。（康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了该效应的普遍性。）
X射线
λ ＝λ0
石墨体
（散射物质）
λ =λ0
λ >λ0
波长变长 能量有损失
3. 经典理论无法解释康普顿效应：经典理论认为，物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。
4. 光子模型：
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。
5. 用光子模型解释康普顿效应：
在康普顿效应中，当入射的光子（X射线这种不可见光的光子）与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。由p=h/λ，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大。
P↓
—— λ↑
6. 康普顿散射实验的意义：
有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；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
（光是实物粒子）
惠更斯和托马斯杨的波动说
（光是振动形式在媒质的传播——波）
麦克斯韦的电磁理论
（光是电磁波）
爱因斯坦的光子理论
（光是能量子即光子）
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）
与物体相互作用时，表现出粒子性
波长较短时，表现出粒子性
光子动量： （波动性）
传播的过程中，表现出波动性
波长较长时，表现出波动性
【例1】(多选)如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是(　 BD 　)
A.入射光太弱
B.入射光波长太长
C.光照时间太短
D.电源正、负极接反
【例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 ）
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
课堂小结
2. 光电效应方程：EK=hv-w0
3. 密立根验证光电效应方程：
一、爱因斯坦的光电效应理论
1. 光量子理论：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。
光子的能量：E = hν
二、康普顿效应和光子动量
1.康普顿效应：在散射的X 射线中，除了与人射波长λ0 相同的成分外，还有波长大于λ0 的成分。
2.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：p=h/λ
三、光的波粒二象性: 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。传播的过程中，表现出波动性；物体相互作用时，表现出粒子性。波长较长时，表现出波动性；波长较短时，表现出粒子性。

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