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§2 光电效应
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:
新课引入
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？
观察实验：
新课引入
实验现象：
光电效应：当光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。
新课引入
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。
一、光电效应的实验规律
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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，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。此时的光的频率 c即为截止频率！
1.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。
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2.存在饱和电流
（2）在光的颜色不变的情况下，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）光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值
一、光电效应的实验规律
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一、光电效应的实验规律
（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称截止电压。
3.存在遏止电压
（2）对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的;光的频率 改变，遏止电压也会改变。
（3）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。
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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极限频率，几乎在照到金属时立即产生光电流。即光电效应几乎是瞬时发生的。
4.光电效应具有瞬时性
一、光电效应的实验规律
新课讲授
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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
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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
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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：
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：
——光电子最大初动能
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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（极限频率）
③纵截距为－W0（逸出功的负值）
4.爱因斯坦对光电效应的解释
①这个方程表明，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。
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。
三、爱因斯坦的光电效应理论
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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。
思考与讨论：
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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
某金属的Uc-v图像
EK=hv-W0
（2）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。
5.光电效应理论的验证
（1）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。
（3）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。
三、爱因斯坦的光电效应理论
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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，可以看到光的散射现象。
2.康普顿效应
1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。这种波长改变的散射称为康普顿效应。
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。
X-ray
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四、康普顿效应和光子的动量
3.光子模型：
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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
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。
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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。
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五、光的波粒二象性
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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
D
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D
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C
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B
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