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2. 光电效应
第四单元 原子结构和波粒二象性
1物理观念：
通过实验，了解光电效应现象及其实验规律。
2科学思维：
了解爱因斯坦光电效应理论及其意义，能用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应现象了解康普顿效应及其意义。
3科学探究：
能根据实验结论说明光的波粒二象性。
4科学态度与责任：
具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。
核 心 素 养
一、问题引入
实验研究：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？
当光线（包括不可见光） 照射到金属表面，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应，这种(光电效应中金属表面逸出的)电子常称为光电子。
新知识：光电效应和光电子
知识点一、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）。
1.存在截止频率
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。
2、 存在饱和电流
实验表明：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。
说明：在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的。
实验表明：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，
说明：对于一定频率的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
　
　
　
使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。
①对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样
②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。
③这表明光电子的能量（初动能）只与入射光的频率有关。而与入射光的强弱无关
最大初动能
3、 存在遏止电压
4.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
思考与讨论：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？
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。
光电效应经典解释中的疑难
逸出功
几种金属的截止频率和逸出功
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W0。
按照光的电磁理论，还应得出如下结论：
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。
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。
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。
知识点二、光电效应经典解释中的疑难
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。
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：
知识点三、爱因斯坦的光电效应理论
最大初动能与光子的频率的关系
光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。
hv>W0
→产生光电效应
hv→无光电效应
hv=W0
→
就是极限频率
光子说对光电效应的解释
①截止频率的解释
②遏止电压的解释
EK=hv-w0
遏
止
电
压
EK只与入射光的频率有关
对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。
eUc=hv-W0
③瞬时性的解释
电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累,光电流自然几乎是瞬时发生的。
对于同种频率的光，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。
④饱和电流的解释
到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。
③瞬时性的解释
电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累,光电流自然几乎是瞬时发生的。
对于同种频率的光，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。
④饱和电流的解释
到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。
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。
年，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（Compton’s effect）。
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。
知识点四、康普顿效应和光子的动量
康普顿的解释
光子除了具有能量之外还具有动量。
1.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。
2.吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年，参加了发现康普顿效应的研究工作。1925—1926年，吴有训用银的X射线为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。
按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。
经典力学的困惑
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：
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.
知识点五、光的波粒二象性
典例精析
典例1．
如图所示，在演示光电效应的实验中，某同学分别用a、b两种单色光照射锌板。发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度；用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动。下列说法正确的是
A.增大b光的照射强度，验电器的指针有可能张开
一定角度
B.a光在真空中的波长大于b光在真空中的波长
C.a光的频率大于b光的频率
D.若用b光照射另一种金属能发生光电效应，则用a光照射该金属时可能
不会发生光电效应
√
典例2．
典例精析
利用如图所示的电路研究光电效应现象，滑片P的位置在O点的正上方。已知入射光的频率大于阴极K的截止频率，且光的强度较大，则
A.减弱入射光的强度，遏止电压变小
B.P不移动时，微安表的示数为零
C.P向a端移动，微安表的示数增大
D.P向b端移动，光电子到达阳极A的最大动能增大
√
典例3．
典例精析
(多选)某同学用如图所示的装置研究光电效应现象，开始时，滑动变阻器滑片c移到最右端b点。用光子能量为4.2 eV的光照射到光电管上，此时电流表G有读数。向左移动滑动变阻器的滑片c，当电压表的示数大于或等于1.5 V时，电流表读数为0，则以下说法
正确的是
A.光电子最大初动能为2.7 eV
B.光电管阴极的逸出功为2.7 eV
C.当电流表示数为零时，断开开关，电流表示数不再为零
D.将电源的正负极调换，滑动变阻器滑片从b移到a，电流表的示数一直
增大
√
√
典例4．
典例精析
物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是
A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光
子散射后频率变大
B.康普顿效应表明光子除了具有能量之外还具有动量
C.X光散射后与散射前相比，速度变小
D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
√
典例5．
典例精析
发光功率为P的激光器发出波长为λ的激光，光速为c，假设某一光子与静止的电子发生正碰
A.与电子碰撞后，光子的波长不变
B.与电子碰撞后，光子的波长变短
√
典例6．
典例精析
关于光的粒子性、波动性和波粒二象性，下列说法正确的是
A.光子说的确立完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒
子相同
C.光的波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能
解释的实验现象
D.光电效应说明光具有粒子性，康普顿效应说明光具有波动性
√
当堂练习
1.做光电效应实验时，用黄光照射一光电管，能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，应
A.改用红光照射
B.增大黄光的强度
C.增大光电管上的加速电压
D.改用紫光照射
√
当堂练习
2.用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J。已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.0×108 m·s－1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为
A.1×1014 Hz B.8×1014 Hz
C.2×1015 Hz D.8×1015 Hz
√
当堂练习
3.如图甲，合上开关，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零，当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零。把电路改为图乙，当电压表读数为2 V时，逸出功及电子到达阳极时的最大动能为
A.1.5 eV　0.6 eV B.1.7 eV　1.9 eV
C.1.9 eV　2.6 eV D.3.1 eV　4.5 eV
√
当堂练习
4.在研究石墨对X射线的散射时，康普顿发现在散射的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。这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比
A.能量增大 B.动量增大
C.波速减小 D.频率减小
√
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
课堂小结

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