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第六章 波粒二象性
第1节 光电效应及其解释
第1课时
1. 知道什么是光电效应，了解光电效应的实验规律。
2. 知道光电效应与电磁理论的矛盾。
3.理解爱因斯坦的光子说以及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。
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这些应用都与光电效应有关。 什么是光电效应？
实验与探究：演示光电效应
把一块擦亮的锌板安装在静电计上。把用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板，静电计指针的偏角将会怎样变化？用紫外光照射锌板，观察静电计指针的偏角有什么变化；停止紫外光照，静电计指针的偏角又会怎样变化？这说明了什么？请解释以上现象。
原来不带电的锌板被紫外光照射后带了正电，这表明电子在紫外光照射下逸出了锌板表面。
知识点一：光电效应
1.光电效应：物理学中，在光的照射下电子从物体表面逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。
逸出的电子称为光电子。
光电子逸出与哪些因素有关？
有着怎样的规律？
如图为一种典型的光电管结构示意图，抽成真空的玻璃管内密封有阴极和阳极，在阴极表面涂有某种金属材料，当受到光照射时产生光电子。
2.研究光电效应
（1）用不同频率的光照射阴极，并调节光的强度，观察到什么现象？
（2）保持光照条件不变，调节滑动变阻器，逐渐提高电压，观察光电流是否随电压变化而发生变化。
（3）把电源的正负极对调，重复上述实验，观察实验现象。
在如图所示的电路图中，光束可由玻璃窗口进入，投射到阴极K上。阴极K与阳极A之间的电压可通过滑动变阻器进行调节，电源的正负极也可对调。当发生光电效应时，阴极K发射的光电子被阳极A吸收后，形成光电流。因此，我们可通过该电路来探究光电效应的规律。
大量实验研究表明：
（1）光电效应产生的条件：当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生光电效应，这一频率称为极限频率。
极限频率与金属的种类有关，每一种金属对应一种极限频率。只有当入射光的频率大于或等于极限频率，才会产生光电效应；若入射光的频率小于极限频率，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应。
（2）瞬时性：从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间很短，通常在10-9s内。
（3）饱和电流：产生光电效应时，在光照强度不变的情况下，光电流随电压的增大而增大，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值，即为饱和电流。在光频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内逸出的电子数也越多，饱和电流越大。
（4）遏止电压：阴极逸出的光电子具有初动能，因此在外加电压调到零时仍有光电流。如果施加反向电压，在电压较低时也还有光电流，只有当反向电压大于某一值时，光电流才为零，这一电压值称为遏止电压。
遏止电压UC与光电子最大初动能满足的关系为:
光电子最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关。入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。
光电流与电压的关系曲线
遏止电压
1.光电效应经典解释的疑难
这些结论与实验结果相矛盾， 经典电磁理论更是无法解释。
实验结论：
1.????不变，光强越强，????饱越大；
2.????????只与????有关，与强度无关；
3.当????大于????????时，发生光电效应；
4.瞬时性。
?
√
×
×
×
经典解释：
强度越大，逸出的光电子数越多，光电流越大；
遏止电压应与入射光的强度有关；
如果光较弱，只要积累足够长时间，电子获得足够能量就会形成光电子；
能量的可以随时间积累。
二、光电效应的解释
看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间的光子组成，每个光子的能量为 （h是普朗克常量，其值为6.63×10-34J·s， 是光的频率）。光照到金属板时，光子的能量传递给电子，若这份能量等于或是大于电子逸出金属表面所需的功（W)，刚就会发生光效应现象。多出来的能量则转化为电子离开时的动能(12????????2)。
?
爱因斯坦根据普朗克的量子理论提出了光量子的概念。
2. 爱因斯坦的光电效应方程
或
——光电子最大初动能
一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W，剩下的表现为逸出后电子的初动能????k，即：
?
?????=????k+????
?
????k=??????????
?
Ek =12????????2
?
W——金属的逸出功
3. 对光电效应方程的理解
（1）光电子的动能
Ek = hν － W 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 － W实质上是能量守恒方程。
（3）产生光电效应的条件
方程 Ek = hν － W包含了产生光电效应的条件， 即要产生光电效应，须 Ek = hν － W> 0，亦即 hν > W，ν > W /h，而 νc = W/h 就是金属的截止频率。
（4）极限频率 νc
方程 Ek = hν － W 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。
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：测量金属的截止电压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。
实验的结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5% 的误差范围内是一致的。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年的诺贝尔物理学奖。
4. 光电效应理论的验证
例题：在研究光电效应实验中，光电管的阴极材料为铯（Cs），用某一频率的光照射，实验测得光电流随电压变化的图像如图 所示。已知铯的逸出功为 3.0×10-19 J。
（1）铯发生光电效应的极限频率是多少？
（2）本次实验的入射光频率是多少？
解：已知铯的逸出功 W = 3.0×10-19 J，从图像可知遏止
电压 Uc = 2.5 V
（1）设铯材料的极限频率为νc，有 W = hνc
解得
（2）当光电管加反向遏止电压时，光电流为零，有
设入射光频率为ν，根据爱因斯坦光电效应方程，有
解得
1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器指针张开一个角度，如图所示，这时 ( )
A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带正电，指针带正电
C．锌板带负电，指针带正电
D．锌板带负电，指针带负电
B
2.若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（ ）
A. 增大入射光的强度
B. 增加光的照射时间
C. 改用黄光照射
D. 改用紫光照射
D
3.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示．则可判断出(　　)

A．甲光的频率大于乙光的频率
B．乙光的波长大于丙光的波长
C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
B

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