光電效應(yīng) 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

4.2光電效應(yīng)核心素養(yǎng)目標(biāo)1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.了解愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論及其意義，能用愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象3.了解康普頓效應(yīng)及其意義4.能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論說(shuō)明光的波粒二象性問(wèn)題

此時(shí)會(huì)看到驗(yàn)電器的薄片張角逐漸減小，這說(shuō)明紫外光照射會(huì)使電子從鋅板表面逸出。

把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，并使鋅板帶負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開(kāi)。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗(yàn)電器指針的變化。1.光電效應(yīng)照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個(gè)現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，這個(gè)電子稱為光電子.1）定義：2）研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置3）光電效應(yīng)本質(zhì)

金屬原子最外層電子在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，溫度不高時(shí)，動(dòng)能很小，電子受金屬表層存在的一種力阻礙而不能大量逸出金屬表面。當(dāng)有光照射時(shí)，電子吸收光子的能量而動(dòng)能變大，從而克服阻力從金屬表面掙脫出來(lái)。一光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1）存在截止頻率頻率低于νc的入射光，無(wú)論光的強(qiáng)度多大，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不能使光電子逸出，這個(gè)νc叫截止頻率.2）存在飽和電流光照條件不變時(shí)U增大，光電流I趨于一個(gè)飽和值.這說(shuō)明：在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電子都被陽(yáng)極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多.3）存在遏止電壓與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與入射光的的頻率有關(guān)當(dāng)頻率大于νc，光的照射和光電子的逸出幾乎是同時(shí)的，產(chǎn)生光電流的時(shí)間不超過(guò)10-9s4）光電效應(yīng)的瞬時(shí)性

如果施加反向電壓，也就是陰極K接電源正極、陽(yáng)極A接電源負(fù)極，在光電管兩極間形成使電子減速的電場(chǎng)，電流有可能為0。使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。最大初動(dòng)能：思考與討論

金屬中原子外層的電子會(huì)脫離原子而做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，但在溫度不很高時(shí)，電子并不能大量逸出金屬表面，這說(shuō)明什么？

說(shuō)明金屬表面存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。二、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難人們知道，金屬中原子外層的電子會(huì)脫離原子而做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。但在溫度不是很高時(shí)，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢?金屬表面層內(nèi)存在一種力，阻礙了電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。

(1)逸出功：要使電子脫離某種金屬，需要外界對(duì)它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，用W0表示。(2)幾種金屬的截止頻率和逸出功(如下表所示)。金屬鎢鈣鈉鉀銣νc/(1014Hz)10.957.735.535.445.15W0/eV4.543.202.292.252.13按照光的電磁理論，能否解釋下列問(wèn)題。(1)截止頻率的存在。

(2)遏止電壓Uc應(yīng)該與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。

(3)光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。

對(duì)于光電效應(yīng)的解釋，愛(ài)因斯坦是在普朗克量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上作出的。在這個(gè)假說(shuō)的啟發(fā)下，愛(ài)因斯坦在1905年發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》的文章。

他表示，普朗克關(guān)于黑體輻射問(wèn)題的嶄新觀點(diǎn)還不夠徹底，僅僅認(rèn)為振動(dòng)著的帶電微粒的能量不連續(xù)是不夠的。為了解釋光電效應(yīng)，必須假定電磁波本身的能量也是不連續(xù)的，即認(rèn)為光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為v的光的能量子為hv，其中，h為普朗克常量。這些能量子后來(lái)稱為光子。三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論

按照愛(ài)因斯坦的理論（圖4.2-3），當(dāng)光子照到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中的某個(gè)電子全部吸收，金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hv，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來(lái)脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動(dòng)能，即

上式稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，式中Ek為光電子的最大初動(dòng)能三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論

從下面的討論可以看出，愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可以很好地解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象。1、這個(gè)方程表明，只有當(dāng)hv>W0時(shí)，光電子才可以從金屬中逸出，vc＝W0/h就是光電效應(yīng)的截止頻率（圖4.2-4）。三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論

從下面的討論可以看出，愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可以很好地解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象。2、這個(gè)方程還表明，光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率v有關(guān)，而與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。這就解釋了遏止電壓和光強(qiáng)無(wú)關(guān)三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論3、電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)產(chǎn)生的4、對(duì)于同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。

思考與討論：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率

v

的關(guān)系。但是，很難直接測(cè)量光電子的動(dòng)能，容易測(cè)量的是截止電壓Uc。那么，怎樣得到截止電壓Uc與光的頻率

v

和逸出功W0的關(guān)系呢？三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論利用光電子的初動(dòng)能和愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可得：三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論對(duì)于確定的金屬，其逸出功W0是確定的，電子電荷e和普朗克常量h都是常量。故上式中的截止電壓Uc與光的頻率v之間是線性關(guān)系

Uc-

v圖像是一條斜率為h/e的直線（圖4.2-5）三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論從1907年起，美國(guó)物理學(xué)家密立根開(kāi)始以精湛的技術(shù)測(cè)量光電效應(yīng)中幾個(gè)重要的物理量。他的目的是：測(cè)量金屬的截止電壓Uc與入射光的頻率v，由此算出普朗克常量h并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，以檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，兩種方法得出的普朗克常量h在0.5%的誤差范圍內(nèi)是一致的。這為愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。愛(ài)因斯坦由于提出了光電效應(yīng)理論而獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)四、康普頓效應(yīng)和光子動(dòng)量1.康普頓效應(yīng)石墨X射線

發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與人射波長(zhǎng)λ0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。λ0=λ0>λ02.經(jīng)典理論的解釋康普頓效應(yīng)石墨X射線λ0受迫振動(dòng)反射波散射波>λ0振動(dòng)頻率=入射光頻率

這跟經(jīng)典電磁理論是相違背的。因此，康普頓效應(yīng)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋。=散射光頻率=λ03.光子模型解釋康普頓效應(yīng)康普頓

光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)λ和普朗克常量h有關(guān)：波長(zhǎng)變長(zhǎng)的解釋：P↓——λ↑光子的動(dòng)量P康普頓獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

五、光的波粒二象性1.光的本性(1)19世紀(jì)初托馬斯·楊、菲涅耳、馬呂斯等分別觀察到了光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象。(2)19世紀(jì)60年代和80年代，麥克斯韋和赫茲先后從理論上和實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了光的電磁波本質(zhì)。(3)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性。(4)光既有波動(dòng)性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。對(duì)光的認(rèn)識(shí)的幾種學(xué)說(shuō)學(xué)說(shuō)名稱微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)電磁說(shuō)光子說(shuō)波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛(ài)因斯坦公認(rèn)實(shí)驗(yàn)依據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波速度光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)光既有波動(dòng)現(xiàn)象，又有粒子特征對(duì)光的認(rèn)識(shí)的幾種學(xué)說(shuō)內(nèi)容要點(diǎn)光是一群彈性粒子光是一種機(jī)械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動(dòng)性又有粒子性理論領(lǐng)域宏觀世界宏觀世界微觀世界微觀世界微觀世界對(duì)光的波粒二象性的理解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表現(xiàn)說(shuō)明光的波動(dòng)性干涉和衍射(1)光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小可用波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述(2)足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(3)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光容易表現(xiàn)出波動(dòng)性(1)光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的(2)光的波動(dòng)性不同于宏觀觀念的波對(duì)光的波粒二象性的理解光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性(3)波長(zhǎng)短的光，粒子性顯著(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子考點(diǎn)一光電效應(yīng)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.不帶電的鋅板和驗(yàn)電器用導(dǎo)線相連.若用甲燈照射鋅板，驗(yàn)電器的金屬箔片不張開(kāi)；若用乙燈照射鋅板，驗(yàn)電器的金屬箔片張開(kāi)，如圖1所示，則與甲燈相比，乙燈發(fā)出的光A.頻率更高

B.波長(zhǎng)更大C.光強(qiáng)更強(qiáng)

D.速度更大√圖12.對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解，下列說(shuō)法正確的是A.當(dāng)某種單色光照射金屬表面時(shí)，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，如果入射光的強(qiáng)度

減弱，從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時(shí)間間隔將明顯增加B.若發(fā)生了光電效應(yīng)且入射光的頻率一定時(shí)，光強(qiáng)越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)逸出

的光