第1節(jié)光電效應(yīng)

新課標(biāo)高中物理選修3－5第五章波和粒子第1節(jié)光電效應(yīng)赫茲

隨著赫茲證實(shí)了電磁波的存在之后，當(dāng)時(shí)又出現(xiàn)了一個(gè)無(wú)法用電磁理論解釋的現(xiàn)象光電效應(yīng)用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電器張角增大到約為30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電光電效應(yīng)1定義：在光的照射下，物體表面發(fā)出電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來(lái)的電子叫光電子。猜想:具備哪些條件才可能發(fā)發(fā)生光電效應(yīng)規(guī)律,要發(fā)生與哪些因素有關(guān)?

一、光電效應(yīng)1）與光的強(qiáng)度有關(guān)嗎?2）與光的顏色即與光的頻率有關(guān)嗎？3）與光照射時(shí)間有關(guān)嗎？4）與被照射的材料有關(guān)嗎？1、產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件2、光電子最大初動(dòng)能4、光電流強(qiáng)度的決定3、光電效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間二、光電效應(yīng)規(guī)律如圖所示裝置，不同單色光照射不同金屬，要產(chǎn)生光電效應(yīng)，必須有一個(gè)最低頻率。如鋅板用紫外線照射，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，用黃光照射則不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論

任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率的光，無(wú)論光強(qiáng)怎樣大，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。1、產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件(1)最大初動(dòng)能的概念(2)最大初動(dòng)能的測(cè)定(3)最大初動(dòng)能的結(jié)論2、光電子最大初動(dòng)能

光電效應(yīng)中從金屬出來(lái)的電子，有的從金屬表面直接飛出，有的從內(nèi)部出來(lái)沿途與其它粒子碰撞，損失部分能量，因此電子速度會(huì)有差異，直接從金屬表面飛出的速度最大，其動(dòng)能為最大初動(dòng)能。(1)最大初動(dòng)能的概念VV(2)最大初動(dòng)能的測(cè)定實(shí)驗(yàn)電路如圖甲（其中單色光的入口C用石英窗），用來(lái)測(cè)定光電子的最大初動(dòng)能。當(dāng)圖中電流表G讀數(shù)為零時(shí)，伏特表V中的讀數(shù)就是圖乙中的U。++++----U乙甲設(shè)光電子的最大初動(dòng)能為1/2mv2，若光電子置于左圖勻強(qiáng)場(chǎng)中，則光電子作勻減速直線運(yùn)動(dòng)。m,e

在電子運(yùn)動(dòng)的位移上，設(shè)電勢(shì)差為U，電子電量為e，當(dāng)eU=1/2mv2,電場(chǎng)對(duì)光電子做負(fù)功，光電子的動(dòng)能將變?yōu)榱?所以eU就代表光電子的最大初動(dòng)能

（3）最大初動(dòng)能的結(jié)論光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光的頻率增大而增大。精確的實(shí)驗(yàn)表明:甲圖中發(fā)射光電子的陰極K，它相對(duì)圖中A極電勢(shì)可正可負(fù)。現(xiàn)將圖中電源正負(fù)極反接（正向電壓）移動(dòng)P適當(dāng)調(diào)整AK間初始電壓，使光電子一旦飛出，電流表G指針就偏轉(zhuǎn)，以便了解入射光照射多長(zhǎng)時(shí)間才產(chǎn)生光電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果即使入射光強(qiáng)度非常弱，只要入射光頻率大于極限頻率，電流表指針也幾乎隨著入射光照射立即偏轉(zhuǎn)，精確實(shí)驗(yàn)表明，光電子發(fā)射至光電流產(chǎn)最多相差10-9秒。甲3、光電效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間4、光電流強(qiáng)度的決定按圖裝置，移動(dòng)P使伏特表有一定讀數(shù)，用一定強(qiáng)度的光照射K，電流表中有一定讀數(shù)，這時(shí)改變K、A之間的電壓，使其增大，電流表顯示光電流在增大。但是，當(dāng)K、A間電壓足夠大后，電流表讀數(shù)不再改變，這就是飽和光電流。表明光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子已能全部到達(dá)A極。所以升高電壓電流也不會(huì)再增大。此時(shí)若再增大照射光強(qiáng)度，光電流會(huì)隨之增大。當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，光電流強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)論是:二、

光電效應(yīng)規(guī)律1）光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的，時(shí)間不超過(guò)10－9s.2）任何金屬都有一個(gè)能產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低照射光頻率，叫做極限頻率3）光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增大而增大，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。4）光電流強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比．得出結(jié)論:光電效應(yīng)的發(fā)生與否,與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān),與照射時(shí)間的長(zhǎng)短無(wú)關(guān),與光的頻率、金屬材料的種類(lèi)有關(guān)。思考為什么說(shuō)光的波動(dòng)理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律？

回想一下光的波動(dòng)理論是怎樣描述光的能量的呢？三、波動(dòng)理論對(duì)光電效應(yīng)的解釋的困難：波動(dòng)理論光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果困難1光能由振幅決定，與光頻率無(wú)關(guān)，只要光強(qiáng)足夠大（不論入射光的頻率多），總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng)如果ν﹤ν0，無(wú)論光強(qiáng)有多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)，光能應(yīng)由光頻率來(lái)決定困難2光強(qiáng)越大，電子可獲得更多能量，光電子的最大初動(dòng)能也應(yīng)該越大，遏止電壓也應(yīng)越大。即出射電子的最大初動(dòng)能應(yīng)該由光強(qiáng)來(lái)決定光電子的最大初動(dòng)能、遏止電壓都與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而與頻率有關(guān)困難3光強(qiáng)大時(shí)，電子能量積累的時(shí)間就短，光強(qiáng)小時(shí)，能量積累的時(shí)間就長(zhǎng)當(dāng)入射光照射到光電管陰極時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)怎樣，幾乎瞬間就產(chǎn)生了光電子1、波動(dòng)理論無(wú)法解釋極限頻率．2、光電子最大初動(dòng)能的大小應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)．波動(dòng)理論在解釋光電效應(yīng)時(shí)的矛盾3、弱光照射時(shí)應(yīng)有能量積累過(guò)程，不應(yīng)瞬時(shí)發(fā)生．光的波動(dòng)理論在解釋光電效應(yīng)時(shí)遇到了巨大的困難。后來(lái)，愛(ài)因斯坦在普朗克量子化理論的啟發(fā)下，提出了光子學(xué)說(shuō)．普朗克愛(ài)因斯坦四、量子假說(shuō)光子：普朗克的量子假說(shuō)：在微觀世界里，物理量的取值很多時(shí)候是不連續(xù)的，只能取一些分立的值，這稱(chēng)為量子化現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)：在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光量子，簡(jiǎn)稱(chēng)光子，光子的能量E跟光的頻率ν成正比。光子的能量E＝hν其中h是一個(gè)常量，叫普朗克常量：

h=6.63×10－34J.s五、光電方程光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋?zhuān)?.在光電效應(yīng)中，入射光的能量等于出射的光電子的最大初動(dòng)能與逸出功之和：即：或這叫愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，簡(jiǎn)稱(chēng)光電方程1.使金屬表面的電子能掙脫原子核的引力而逸出成為光電子所需做的功叫逸出功（4）.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率：（1）.光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。

3.愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋?zhuān)海?）.電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。（3）.從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系()金屬銫鈉鋅銀鉑波長(zhǎng)（μm）0.66000.50000.37200.26000.1962頻率（Hz）4.545×10146.000×10148.065×10141.153×10141.529×1014幾種金屬的逸出功銫鈣鎂鈹鈦逸出功W/eV1.92.73.73.94.1部分金屬的極限頻率和波長(zhǎng)由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。放大器控制機(jī)構(gòu)可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。1.光控繼電器可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105~108

倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管六.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光電管1、___________________________的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子叫____________。物體在光的照射下發(fā)射電子光電子鞏固練習(xí)：2、光電管的作用是把_______信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)開(kāi)_____信號(hào)。由于光電管發(fā)生光電效應(yīng)而在電路中形成的電流叫_________。光電光電流3、在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來(lái)不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)()A．鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．鋅板帶負(fù)電，指針帶正電 D．鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B5、已知銫的極限頻率為4.545×1014Hz，鈉為6.0×1014Hz，銀為1.153×1015Hz，鉑為1.529×1015Hz，當(dāng)用波長(zhǎng)為375nm的光照射它們時(shí)，可發(fā)生光電效應(yīng)的是__________________。（光速c=3.0×108m/s，光速與波長(zhǎng)、頻率的關(guān)系：c=λf）銫和鈉4、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應(yīng)，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)（）A.增大入射光的強(qiáng)度B.增加光的照射時(shí)間C.改用黃光照射D.改用紫光照射D6、某種頻率的光射到金屬表面上時(shí)，金屬表面有電子逸出，若光的頻率不變而強(qiáng)度減弱，那么下述結(jié)論中正確的是A．光的強(qiáng)度減弱到某一數(shù)值時(shí)，就沒(méi)有電子逸出B．逸出的電子數(shù)一定減少C．逸出的電子數(shù)有可能增加D．逸出的電子數(shù)有可能不變B7、下列關(guān)于光電效應(yīng)的說(shuō)法正確的是（

）

A．光電子的動(dòng)能隨照射光頻率的增大而增大

B．光電子的初速度與照射光的頻率成正比

C．光電子的最大初動(dòng)能與照射光的頻率成正比

D．光電子的最大初動(dòng)能隨照射光頻率的增大而增大8、用綠光照射一光電管能產(chǎn)生光電效應(yīng)，欲使光電子從陰極逸出時(shí)的最大初動(dòng)能增大應(yīng)（）A．改用紅光照射B．增大綠光的強(qiáng)度C．增大光電管上的加速電壓D．改用紫光照射DD9、已知某單色光的波長(zhǎng)為λ，在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則該電磁波輻射的能量子的值為()A．hc/λB．hλ/cC．h/λD．hcλ10、某激光器能發(fā)射波長(zhǎng)為λ的激光，發(fā)射功率為P，真空中光速為c，普朗克常量為h，則該激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為()A.λP/hcB.hP/λcC.λcP/hD.hλP/cAA11、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長(zhǎng)λ甲>λ乙>λ丙，則：A、用三種入射光照射金屬a，均可發(fā)生光電效應(yīng)B、用三種入射光照射金屬c，均可發(fā)生光電效應(yīng)C、用入射光甲和乙同時(shí)照射金屬c，可能發(fā)生光電效應(yīng)D、用入射光甲照射金屬b，可能發(fā)生光電效應(yīng)A

12、用波長(zhǎng)為λ的單色光照射某金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能為用波長(zhǎng)為2λ的單色光照射該金屬逸出電子的最大初動(dòng)能的n倍,則能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最大波長(zhǎng)是多少?13、波長(zhǎng)為λ＝0.17μm的紫外線照射至金屬筒上能使其發(fā)射光電子，光電子在磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，做最大半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，已知r·B=5.6×10-6T·m，光電子質(zhì)量m=9.1×10-31Kg，電量e=1.6×10-19C，求：(1)每個(gè)光電子的最大初動(dòng)能；(2)金屬筒的逸出功．(1)4.41×10-19J(2)7.3×10-19J14.可見(jiàn)光子的能量有多大？求波長(zhǎng)是0.4微米的可見(jiàn)光子和波長(zhǎng)為10-7微米的γ射線光子的能量?(用電子伏特作為能量單位)15.使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)是0.3720微米，鋅的逸出功是多少？

第2節(jié)康普頓效應(yīng)康普頓(1892-1962)--美國(guó)物理學(xué)家1.光的散射

光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射

1923年康普頓在做X射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。一.康普頓效應(yīng)2.康普頓效應(yīng)3.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體光闌X射線管探測(cè)器X射線譜儀石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長(zhǎng)

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，

散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X射線的散射4.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難（2）.無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。（1）.根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。二、光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的結(jié)果，具體解釋如下：2.若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。1.若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)（根據(jù)E=hν)。3.因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè)；（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”

的假設(shè)；（3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977）吳有訓(xùn)

有記者曾問(wèn)英國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)卟祭窠淌冢汗馐遣ㄟ€是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個(gè)波，星期二、四、六它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息?！比绻悄?，你會(huì)如何回答？那么光的本性到底是什么？五、光的本性密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1.光學(xué)發(fā)展史1672牛頓微粒說(shuō)T/年惠更斯波動(dòng)說(shuō)1690麥克斯韋電磁說(shuō)18641905愛(ài)因斯坦光子說(shuō)波動(dòng)性粒子性1801托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1814菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)1888赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)19161922康普頓效應(yīng)粒子性波動(dòng)性具有能量具有頻率具有動(dòng)量h2.光的波粒二象性具有波長(zhǎng)光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性。

(h架起了粒子性與波動(dòng)性的橋梁)

1926年德國(guó)物理學(xué)家波恩提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。光的強(qiáng)弱對(duì)應(yīng)于光子的數(shù)目，明紋處達(dá)到的光子數(shù)多，明紋表示光子達(dá)到的概率大。暗紋反之。3.德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋7個(gè)電子100個(gè)電子300020000一個(gè)一個(gè)電子依次入射雙縫的衍射實(shí)驗(yàn)：70000體現(xiàn)了粒子性體現(xiàn)了波動(dòng)性粒子出現(xiàn)的概率高粒子出現(xiàn)的概率低雖然不能肯定某個(gè)光子落在哪一點(diǎn)，但在屏上各處明暗不同可以推知，光子落在各點(diǎn)的概率是不一樣的，即光子落在明紋處的概率大，落在暗處的概率小。則光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)衍射、干涉的明暗條紋這樣的波動(dòng)規(guī)律確定.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知：

----------光是一種概率波。頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)，波動(dòng)性較明顯頻率高、