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1、4.2 光电效应高二物理（人教版2019）选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性思考与讨论: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？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。1.光电效应：照射在金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。逸出的电子称为光电子。一、光电效应的实验规律2.光电管：利用光电效应制成的一种光学元件，它的作用是把光信号转变为电信号。一、光电效应的实验规律1.实验目的：研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强
2、弱、光的颜色(频率)等物理量之间的关系。2、光电效应的实验装置阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。K在受到光照时能够发射光电子。阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。阴极阴极K与阳极与阳极A之间电压之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律（1）当入射光频率减小到某一数值 c 时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。c称为截止频率或极限频率。即当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。3.存在截止频率（2）金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。（
3、3）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。（4）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.存在饱和电流一、光电效应的实验规律4.存在饱和电流（2）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。（1）在光照不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。即电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会进一步增大了.一、光电效应的实验规律这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K K发射的发射的光电子的数目是一定的，电压增
4、加到一定值时，所有光电子光电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极都被阳极A A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。施加反向电压施加反向电压一、光电效应的实验规律5.存在遏止电压（1）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。一、光电效应的实验规律5.存在遏止电压 拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功：+一一一一 一一一一 一一一一v加反向电压，如右图所示：光电子作减速运动。若速率最大的记为光电子作减速运动。若速率最大的记
5、为vC最大的初动能最大的初动能U=0时，I0，因为电子有初速度则I=0，式中UC为遏止电压EEUFKA速率最大的是速率最大的是 vc c光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。一、光电效应的实验规律5.存在遏止电压（1）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。（2）同一种金属对于一定频率(颜色)的光,无论光的强弱如何,遏止电压UC是一样的；（3）光的频率 改变，遏止电压UC也会改变。（4）这表明对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当频率超过截止频率vC时，无论入射光的强度怎么微弱，照到金属时会立即产
6、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。6.光电效应具有瞬时性一、光电效应的实验规律更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过109 s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。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？思考与讨论: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逸出功W0：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小 叫做这种金属的逸出功。即电子要想从金属中脱离，至少要吸收W0
7、的能量。几种金属的截止频率和逸出功逸出功的大小取决于金属的特性光的经典电磁理论无法解释的光电效应的三个实验结果：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这些结论与实验结果这些结论与实验结果相相矛矛盾盾，经典电磁理论更是经典电磁理论更是无法解释无法解释。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 的光的能量
8、子为h。这些能量子后来被称为光子。三、爱因斯坦的光电效应理论2.爱因斯坦的光电效应方程：当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子的能量hv后，一部分大小为WW0 0的能量被电子用来脱离金属，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：hvW0+EKEK=hv-W0光电效应方程光电效应方程=光电子最大初动能光电子最大初动能 注意注意：式中：式中Ek是光电子的最大初动能是光电子的最大初动能,就某个光电子而言就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可其离开金属时的动能大小可以是以是 0 Ek 范围内的任何数值。范围内的任何数值。三、爱因斯坦的光电效应理论3.光
9、电效应的Ek-图像：斜率k=h（普朗克常数）横截距c（截止频率）纵截距为W0（逸出功的负值）EK=hv-W0截止频率的解释截止频率的解释光照射光照射到金属中的到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是也就是hv的能量。的能量。hvW0产生光电效应产生光电效应hv0光在介质中与物质微粒相互作用，因而光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变传播方向发生改变的现象。的现象。2.康普顿效应康普顿效应1.光的散射光的散射四、康普顿效应和光子的动量四、康普顿效应和光子的动量X射线射线 0石墨石墨体体（散射物质）（散射物质）=0 03.经典物理
10、学理论无法解释康普顿效应经典物理学理论无法解释康普顿效应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射线频率射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射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。相应的，射线的频率。相应的，X射线的波长也不会在散射中发生变化。射线的波长也不会在散射中发生变化。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与光的波长和普朗克常量h有关：爱
11、因斯坦质能方程：光子能量：E=h4.光子模型解释康普顿效应光子模型解释康普顿效应波长变长的解释：波长变长的解释：P四、康普顿效应和光子的动量4.光子模型解释康普顿效应（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
12、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。五、光的波粒二象性1.人们对光的认识牛顿的微粒说惠更斯和托马斯杨的波动说麦克斯韦的电磁理论爱因斯坦的光子理论2.光具有波粒二象性(1)光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。(2)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。光子能量：E=h 粒子性光子动量：波动性T/年年波波动动性性粒粒子子性性16901690惠惠更更斯斯波波动动说说16721672牛牛顿顿微微粒粒说说19051905爱爱因因斯斯坦坦光光子子说说18641864麦麦克克斯斯韦韦电电磁磁说说180118
13、01托马托马斯斯杨杨双缝双缝干涉干涉实验实验18141814菲涅菲涅耳衍耳衍射实射实验验18881888赫兹赫兹电磁电磁波实波实验验赫兹赫兹发现发现光电光电效应效应19161916密立密立根光根光电效电效应实应实验验19221922康普康普顿效顿效应应牛牛牛牛顿顿顿顿微微微微粒粒粒粒说说说说占占占占主主主主导导导导地地地地位位位位波动说渐成真理波动说渐成真理波动说渐成真理波动说渐成真理19091909爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦光光光光的的的的波波波波粒粒粒粒二二二二象象象象性性性性光学发展史光学发展史干涉干涉衍射衍射表明表明光是一种波光是一种波表明表明光是一种粒子光是一种粒子光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性波粒二象性。光电效应光电效应康普顿散射康普顿散射波粒二象性波粒二象性传播的过程中，表现出传播的过程中，表现出波动性波动性波长较长时，波长较长时，表现出表现出波动性波动性波长较短时，波长较短时，表现出表现出粒子性粒子性与与物体相互作用时，表现出物体相互作用时，表现出粒子性粒子性光的粒子性和波动性是光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现在不同条件下的表现