§17.2光的粒子性第十七章波粒二象性17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)牛頓惠更斯微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng)19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒子性對(duì)光學(xué)的研究從很早就開(kāi)始了……

用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線(xiàn)與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電器張角增大到約為300時(shí)，再用與絲綢摩擦過(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(xiàn)照射下失去電子而帶正電1.光電效應(yīng):

當(dāng)光線(xiàn)照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電效應(yīng)。2.光電子：在光電效應(yīng)中逸出的電子稱(chēng)為光電子3.光電流：光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流

(一)定義：

光線(xiàn)經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(1)存在截止頻率νc

當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值νc時(shí)，無(wú)論光的強(qiáng)度多大，加上怎樣的電壓，都不會(huì)有光電流。這個(gè)臨界頻率叫做截止頻率νc。二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律（2）存在飽和電流

光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。

因?yàn)楣庹諚l件一定時(shí)，K發(fā)射的電子數(shù)目一定。二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。陽(yáng)極陰極陰極陽(yáng)極－v②加反向電壓，如圖所示：

光電子所受電場(chǎng)力方向與光電子速度方向相反，光電子做減速運(yùn)動(dòng)。若①U=0時(shí)，I≠0，因?yàn)殡娮佑谐跛俣取tI=0，式中Uc為遏止電壓。(3)

存在遏止電壓③遏止電壓Uc

：使光電流減小到零的反向電壓EEUFKA速率最大的是vc最大初動(dòng)能二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)伏安特性曲線(xiàn)(3)存在遏止電壓實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于一定顏色(頻率)的光,無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的.光的頻率

改變時(shí)，遏止電壓也會(huì)改變。

光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。IIs1Uc1OU黃光(強(qiáng))黃光(弱)遏止電壓飽和電流藍(lán)光Uc2Is2Is3二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的截止頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過(guò)的時(shí)間不超過(guò)10－9秒（這個(gè)現(xiàn)象一般稱(chēng)作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。光電效應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)完成(4)具有瞬時(shí)性二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律勒納德等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)截止頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)截止頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9秒.

二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無(wú)法用經(jīng)典的波動(dòng)理論來(lái)解釋光電效應(yīng)。逸出功W0使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。①光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。②不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。③如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10S。-9√實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于一定顏色(頻率)的光,無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的.

溫度不很高時(shí)，電子不能大量逸出，是由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須克服這個(gè)引力做功。三.光電效應(yīng)解釋中的疑難1.光子：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ν的光的能量子為hν。這些能量子后來(lái)被稱(chēng)為光子。愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)四.愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)2.愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程

一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量hν后，一部分能量用來(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：四.愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)光子能量逸出功最大初動(dòng)能即思考1：同種頻率的光射到同種金屬上，增強(qiáng)入射光時(shí)，飽和電流、遏止電壓分別如何變化？答案：飽和電流增大，遏止電壓不變。思考2：相同強(qiáng)度（單位時(shí)間內(nèi)的能量）的單色光射到同種金屬上，增加入射光的頻率時(shí)，飽和電流、遏止電壓分別如何變化？答案：飽和電流減小，遏止電壓增大。光電效應(yīng)的解釋條件最大初動(dòng)能單位時(shí)間逸出電子個(gè)數(shù)時(shí)間例題：由密立根實(shí)驗(yàn)(Uc和v的關(guān)系)計(jì)算普朗克常量例題遏止電壓-入射光頻率：Uc-ν圖像思考1：截距和斜率的物理意義分別是什么？思考2：如果將兩種不同金屬的Uc-ν曲線(xiàn)畫(huà)在同一張圖像中，會(huì)是怎樣的？Uc-W0/eνc光子說(shuō)的驗(yàn)證原理：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)。例1、一束黃光照射某金屬表面時(shí)，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是()A、延長(zhǎng)光照時(shí)間B、增大光束的強(qiáng)度C、換用紅光照射D、換用紫光照射答案：D例2、關(guān)于光子說(shuō)的基本內(nèi)容有以下幾點(diǎn)，正確的是()A、在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個(gè)光子B、光是具有質(zhì)量、能量和體積的物質(zhì)微粒子C、光子的能量跟它的頻率成正比D、光子是愛(ài)因斯坦提出的答案：ACD例3、關(guān)于光電效應(yīng)下述說(shuō)法中正確的是()A、光電子的最大初動(dòng)能隨著入射光的強(qiáng)度增大而增大B、只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，就一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)C、在光電效應(yīng)中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無(wú)關(guān)D、任何一種金屬都有一個(gè)極限頻率，低于這個(gè)頻率的光不能發(fā)生光電效應(yīng)答案：D例4、用某種單色光照射某種金屬表面，發(fā)生光電效應(yīng).現(xiàn)將該單色光的光強(qiáng)減弱，則A.光電子的最大初動(dòng)能不變B.光電子的最大初動(dòng)能減少C.單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少D.可能不發(fā)生光電效應(yīng)【AC】例5、電鍵K斷開(kāi)時(shí),用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零.合上電鍵,調(diào)節(jié)滑線(xiàn)變阻器,當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時(shí),電流表讀數(shù)為零.由此可知陰極材料的逸出功為A.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eV【A】例6、Ek-

圖.已知鎢的逸出功是3.28eV,鋅的逸出功是3.34eV,若將二者的圖線(xiàn)畫(huà)在同一個(gè)Ek-

坐標(biāo)圖中,用實(shí)線(xiàn)表示鎢、虛線(xiàn)表示鋅,則正確反映這一過(guò)程的圖是