资源简介

(共37张PPT)
光电效应
4.2
教学目标
了解光的波粒二象性
知道爱因斯坦的光子说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
知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律
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。
新课引入
这个现象说明了什么问题？
锌板在照射下失去电子
光电效应
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。
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。
01
光电效应的实验规律
光电效应的实验规律
如图，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。
这导致电压U为0时电流I并不为0（滑片移到最左端时，电压U为0）。
截止频率
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。
注：1.金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。
2.入射光频率低于截止频率时，无论光照多强，金属都不会发生光电效应！
3.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.当频率超过截止频率vc时，无论入射光怎样微弱，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。
饱和电流
光电流与电压的关系
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。
实验表明：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。
遏止电压
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。
最大初动能
注：1.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。
2.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。
光电效应的瞬时性
当频率大于νc，光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，产生光电流的时间不超过10-9s
截止频率
饱和电流
遏止电压
规律
→频率
→光强
→频率
瞬时<10-9s
令科学家感到困惑
(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( )
(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( )
(3)发生光电效应时，光的颜色不变时，入射光越强，单位时间内发出的光电子数越多。( )
(4)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。( )
(5) “光子”就是“光电子”的简称。( )
(6)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( )
(7)饱和电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关。( )
×
×
√
√
×
×
√
小试牛刀
02
光电效应经典解释中的疑难
光电效应经典解释中的疑难
思考：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
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。
温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。
光电效应经典解释中的疑难
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。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
几种金属的截止频率和逸出功
光电效应经典解释中的疑难
经典电磁理论解释的困难
03
爱因斯坦的光电效应
爱因斯坦的光电效应
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。
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W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：



——金属的逸出功

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）
爱因斯坦的光电效应
① Ek = hν－W0 表明：只有当 hν > W0 时，光电子才可以从金属中逸出， νc = W0 /h 就是金属的截止频率。
4. 对光电效应的解释
② Ek = hν－W0 表明：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与光的强弱无关，这就解释了遏止电压和光强无关。
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，所以光电流几乎是 瞬时产生的。
④ 对于同频率的光，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。
爱因斯坦的光电效应
5. 对光电效应方程的检验
EK=hv-w0
测量金属的遏止电压Uc和入射光的频率v，计算出普朗克常量h，并与普朗克通过黑体辐射得出的h相比较误差不超过0.5%。
04
康普顿效应
和光子的动量
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。
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


康普顿效应和光子的动量
3.康普顿效应的光量子理论解释
（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。
康普顿效应和光子的动量
4.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。
康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
05
光的波粒二象性
光的波粒二象性
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
光的波粒二象性
大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性
光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
光的波粒二象性
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.
小试牛刀
1、对黑体的认识，下列说法正确的是（ ）
A.黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波
B.黑体是黑色的且其自身辐射电磁波
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除了与温度有关，还与材料的种
类及其表面状况有关
D.黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体
D
小试牛刀
2.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是（ ）
A
A B C D
小试牛刀

ABC
小试牛刀
4.如图是研究光电效应的装置，用某一频率的光束照射金属板K，有粒子逸出，则（ 　　）
A．逸出的粒子带正电
B．改变光束的频率，金属的逸出功随之改变
C．减小光束的光强，逸出的粒子初动能不变
D．减小光束的频率，金属板K可能没有粒子逸出
CD
1.两条对应关系。
(1)同一种光的光照强→光子数目多→发射光电子多→光电流大。
(2)光频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
2.三个关系式。
(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。
(3)逸出功与极限频率的关系W0=hνc。
1.两条对应关系。
(1)同一种光的光照强→光子数目多→发射光电子多→光电流大。
(2)光频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
2.三个关系式。
(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。
(3)逸出功与极限频率的关系W0=hνc。
课堂小结
光电效应的实验规律
爱因斯坦的光电效应理论
康普顿效应和光子的动量
光的波粒二象性——量子电动力学
光电效应经典解释中的疑难
1887年，赫兹在发现了光电效应现象
①存在截止频率； ②存在饱和电流；
③存在遏止电压； ④具有瞬时性。
①无法解释存在截止频率；
②无法解释遏止电压与光强无关；
③无法解释光电效应的瞬时性。
①光子的能量： =hv
②光电效应方程：Ek = hν－W0
③对光电效应是按规律的解释（略）
光
电
效
应

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