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第四章 原子结构和波粒二象性
选择性必修三 人教版
2.光电效应
量子论的建立是 20 世纪物理学的最大成就之一。量子论解释了原子、分子等微观粒子遵循的规律，这些规律和牛顿力学等宏观、低速情况下的物理规律有很大不同。量子论不但深化和丰富了人类对自然界的认识，而且催生了一
大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式
和社会形态。
导入新课
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
物理观念 通过实验，了解光电效应现象及其实验规律。
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。
科学探究 了解康普顿效应及其意义。
科学态度 与责任 理解光电效应对人类社会的深远影响，树立尊重科学、勇于探索的科学态度。
学习目标
重点难点
重点 光电效应现象及其实验规律。
难点 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。
一、光电效应的实验规律
2.光电效应
一、光电效应的实验规律
1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。
后来这一现象引起许多物理学家的关注。德国物理学家勒纳德、英国物理学家J. J. 汤姆孙等相继进行了实验研究，证实了这个现象。
一、光电效应的实验规律
一、光电效应的实验规律
1.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！
理解：
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，不光光照多强，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。
一、光电效应的实验规律
2.饱和电流：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。
理解：
频率不变，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。
+ + + + + +
一 一 一 一 一 一
K
A
E
一、光电效应的实验规律
3.截止电压：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称截止电压。
理解：
1.光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。
2.同一种金属，截止电压只与光的频率有关。
光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的强弱无关。
一、光电效应的实验规律
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
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。
二、光电效应经典解释中的疑难
2.光电效应
二、光电效应经典解释中的疑难
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。
二、光电效应经典解释中的疑难
使电子脱离某种金属所做功的最小值。
①逸出功W0：
③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
二、光电效应经典解释中的疑难
按照光的电磁理论，还应得出如下结论：
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
经典物理学所遇到的困难：
电磁理论
＊不存在截止频率
＊截止电压→光强
＊需要长时间
存在截止频率
遏止电压
→频率
瞬时<10-9s
实验结果
光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家们的认真思考。
三、爱因斯坦的光电效应理论
2.光电效应
三、爱因斯坦的光电效应理论
能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。
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,频率为ν的光的能量子为hν。每一份称为光量子，简称光子。
1.光量子理论
E = hν
光子的能量：
三、爱因斯坦的光电效应理论
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
三、爱因斯坦的光电效应理论
3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释
①截止频率的解释
当电子被光照射时，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
三、爱因斯坦的光电效应理论
3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释
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
遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。
三、爱因斯坦的光电效应理论
3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释
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。
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。
三、爱因斯坦的光电效应理论
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。
四、康普顿效应和光子的动量
2.光电效应
四、康普顿效应和光子的动量
1918 1922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）。
X-ray
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。
四、康普顿效应和光子的动量
2.经典理论的解释康普顿效应
石墨
X射线
λ0
受迫振动
反射波
散射波
=λ0
振动频率=入射光频率
这跟经典电磁理论是相违背的。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。
=散射光频率
=λ0
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。
四、康普顿效应和光子的动量
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
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。
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。
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。
五、光的波粒二象性
2.光电效应
四、康普顿效应和光子的动量
光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
干涉
衍射
表明光是一种波
表明光是一种粒子
光电效应
康普顿散射
λ>λ0
四、康普顿效应和光子的动量
λ>λ0
波粒二象性
传播的过程中，表现出波动性
波长较长时，表现出波动性
波长较短时，表现出粒子性
物体相互作用时，表现出粒子性
光子能量：
光子动量：
粒子性
波动性
六、课堂总结
2.光电效应
光电效应方程：
密立根验证光电效应方程：
1.爱因斯坦的光电效应理论
照射光
光电子
⑴两条线索
每秒钟逸出的光电子数 —— 决定着光电流的强弱
频率 —— 决定着每个光子的能量 hv
强度 —— 决定着每秒钟光源发射的光子数
光电子逸出后的最大初动能
Ek=hv-W0
光越强 → 光子数目多 → 发射光电子多 → 光电流大；
光子频率高 → 光子能量大 → 产生光电子的最大初动能大。
⑵两个关系
七、练习与应用
5.液体
2.光电效应
七、练习与应用
1.利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为ν1的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则(　　)
A．用紫外线照射，电流表中不一定有电流通过
B．用红外线照射，电流表中一定无电流通过
C．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器
的滑片移到a端，电流表中一定无电流通过
D．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片向b端滑动时，电流表示数可能不变
七、练习与应用
【答案】D
【解析】因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，不一定发生光电效应，B错误．即使UAK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑片向b端滑动时UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当射出的所有光电子都能达到阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么再增大UAK，光电流也不会增大，D正确．
七、练习与应用
2.用黄光照射某种金属时，能发生光电效应．如图所示，用该金属制成光电管，并将光电管与微安表连接成闭合回路．现用蓝光照射该光电管，下列说法正确的是(　　)
A．微安表中没有电流通过，因为电路中没有电源
B．微安表中不一定有电流通过，因为蓝光的频率有可能小于该金属的截止频率
C．微安表中一定有电流通过，且用紫光照射一定比用蓝光照射时微安表中的电流更大
D．微安表中一定有电流通过，且增加光的强度时微安表中的电流变大
七、练习与应用
【答案】D
【解析】因为蓝光的频率高于黄光的频率，故用蓝光照射时一定发生光电效应，微安表中一定有电流通过，A、B错误；光电流的大小与光强有关，与频率无关，C错误，D正确．
七、练习与应用
3.如图所示为演示光电效应的实验装置，用光强相同、频率差距较大的单色光a、b分别照射光电管的K极，得到a的反向遏止电压比b的大，则两种单色光分别实验时，得到的电流的示数I和对应电压表的示数U关系图像，正确的是 (　　)
A B C D
七、练习与应用
【答案】B
【解析】a的反向遏止电压比b的大，由eUc＝hν－W0，可知a的频率比b高，a的光子能量大，在光强相同的情况下，单位时间照射到K上b的光子数多，打出的光电子数多，饱和电流大，故选B．
八、提升训练
2.光电效应
八、提升训练
1.　(多选)光刻机又名“掩模对准曝光机”，是制造芯片的核心装备，它是利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，再经技术处理制成芯片．为提高光刻机投影精细图的能力，在光刻胶和投影物镜之间填充液体，提高分辨率，如图所示．则加上液体后，下列说法正确的是 (　　)
八、提升训练
A．紫外线进入液体后光子能量增加
B．紫外线在液体中的波长比在真空中短
C．传播相等的距离，紫外线在液体中比在真空中的时间长
D．紫外线在液体中比在空气中更容易发生衍射
【答案】BC
八、提升训练
八、提升训练
2.　如图所示用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，由图可知下列说法不正确的是 (　　)
八、提升训练
A．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz
B．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
C．该图线的斜率表示普朗克常量
D．该金属的逸出功约为1.77 eV
【答案】A
八、提升训练
八、提升训练
5.如图所示的光电效应现象，下列说法正确的 (　　)
A．当光照射到金属表面上，若能发生光电效应，这种现象几乎是瞬时发生的
B．当光照射到金属表面上时，金属内部的质子和电子会从表面逃逸出来，此现象叫光电效应
C．用光照射带正电的金属板，由于金属不带负电荷，不可能发生光电效应
D．当入射光的频率低于金属的截止频率，光照的时间足够长，会发生光电效应
八、提升训练
【答案】A
【解析】光电效应具有瞬时性，若能发生光电效应，这种现象几乎是瞬时发生的，A正确；当光照射到金属表面上时，金属内部的电子会从表面逃逸出来，此现象叫光电效应，B错误；用光照射带正电的金属板，也可能发生光电效应，当光电子从表面逃逸出来，金属板带的正电荷更多，C错误；当入射光的频率低于金属的截止频率，无论光照多强，照射时间多么长，都不会发生光电效应现象，D错误．

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