第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性4.2光電效應(yīng)目錄CONTENTS1

學(xué)習(xí)目標(biāo)2

新課導(dǎo)入3

新課講解4

課堂小結(jié)5

典例分析當(dāng)堂小練61.了解光電效應(yīng)及其實驗規(guī)律,以及光電效應(yīng)與電磁理論的矛盾。2.知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及應(yīng)用。3.了解康普頓效應(yīng)及其意義,了解光子的動量。4.理解光的波粒二象性及其對立統(tǒng)一的關(guān)系,會用光的波粒二象性分析有關(guān)現(xiàn)象。學(xué)習(xí)目標(biāo)把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負(fù)電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。這個現(xiàn)象說明了什么問題？新課導(dǎo)入一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律1、研究光電效應(yīng)的電路圖⑴陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極。⑵K在受到光照時能夠發(fā)射光電子⑶陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，形成光電流，光電流越大，說明光電效應(yīng)越強(qiáng)。左圖中所加的電壓為正向電壓，即A極的電勢高于K極的電勢。光電子從陰極K逸出后，在AK之間被電場加速。陰極K與陽極A之間電壓U的大小可以調(diào)整，電源的正負(fù)極也可以對調(diào)。窗口I新課講解1、存在飽和電流在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個飽和值。在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。這說明，在一定的光照條件下，單位時間內(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，所有光電子都被陽極A吸收，這時即使再增大電壓，電流也不會增大。這說明，對于一定頻率（顏色）的光，入射光越強(qiáng)，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。反向電壓增加，光電流減小。2、存在截止電壓：Uc光電流減小到0的反向電壓Uc稱為截止電壓。

擁有最大初動能（能量）的光電子到達(dá)A極時，動能剛好減小為零，而動能的改變是由于電場力做功：施加反向電壓3、存在截止頻率（紅限）：vc→跟材料有關(guān)

大量實驗表明：入射光的頻率必須高于某一極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)。4、光電效應(yīng)具有瞬時性

實驗發(fā)現(xiàn)：無論入射光多弱，都會在照射到金屬時立即產(chǎn)生光電子，精確測量表明這個時間<10-9s，也就是說電子不需要積累能量的時間。人們知道，金屬中原子外層的電子會脫離原子（自由電子）而做無規(guī)則的熱運動。但在溫度不很高時，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢？這表明金屬表面層內(nèi)存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。要使電子脫離某種金屬，需要外界對它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功。

逸出功不同種類的金屬，其逸出功的大小也不相同。金屬鎢鈣鈉鉀銣vc/（1014HZ）10.957.735.535.445.15W0/eV4.543.202.292.252.13幾種金屬的截止頻率和逸出功二、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難1、光電效應(yīng)經(jīng)典（光的電磁理論——光是電磁波）解釋⑴當(dāng)光照射金屬表面時，電子會吸收光的能量。若電子吸收的能量超過逸出功，電子就能從金屬表面逸出，這就是光電子。⑵光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。⑸如果光很弱，電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實驗中產(chǎn)生光電流的時間。⑶不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可以獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率；⑷光越強(qiáng)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以截止電壓Uc應(yīng)該與光的強(qiáng)弱有關(guān)；2、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難⑴初動能與光強(qiáng)無關(guān)——取決于入射光的頻率⑵有極限頻率（紅限）——沒有能量積累過程⑶響應(yīng)快慢與光強(qiáng)無關(guān)——沒有能量積累過程三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論1、光子（光量子）光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的。每一份稱為光量子，簡稱光子。E=hν光子的能量：愛因斯坦在普朗克量子假說的基礎(chǔ)上，做了進(jìn)一步假設(shè)，建立起光電效應(yīng)理論。振動著的帶電微粒的能量是不連續(xù)的假定電磁波本身的能量也是不連續(xù)的2、光電效應(yīng)方程EK=hv-W0

金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hv，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動能。通過這個方程愛因斯坦完美地解釋了光電效應(yīng)實驗的規(guī)律。hv＝W0+EK——光電子最大初動能——金屬的逸出功W03、光子說對光電效應(yīng)的解釋EK=hv-W0⑴截止頻率的解釋光照射到金屬中的電子時，一個電子只能吸收一個光子的能量，也就是hv的能量。hv>W0→產(chǎn)生光電效應(yīng)hv<W0→無光電效應(yīng)

hv=W0→就是極限頻率EK=hv-W0⑵遏止電壓的解釋

對某種金屬W0一定，遏止電壓Uc只與入射光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無關(guān)。eUc=hv-W0遏止電壓⑶瞬時性的解釋

電子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要時間的積累。

對于同種頻率的光，光較強(qiáng)時，單位時間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。⑷飽和電流的解釋到此為止光量子理論完美解釋了光電效應(yīng)的各種現(xiàn)象。

愛因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動能Ek

與入射光的頻率v的關(guān)系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是截止電壓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?

EK=hv-W0

某金屬的Uc-v圖像

根據(jù)光電效應(yīng)測得h與普朗克黑體輻射得出的h在誤差范圍內(nèi)一致，這為愛因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實驗證據(jù)，因此愛因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。4、密立根驗證光電效應(yīng)方程四、康普頓效應(yīng)和光子的動量1、康普頓效應(yīng)

在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。X射線λ＝λ0石墨體（散射物質(zhì)）λ=λ0λ>λ02、光的散射經(jīng)典解釋

入射的電磁波引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動，振動著的帶電微粒進(jìn)而再次產(chǎn)生電磁波，并向四周輻射，這就是散射波。散射的X射線頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動的頻率，也就是入射X射線的頻率。相應(yīng)地，X射線的波長也不會在散射中發(fā)生變化。3、光子模型解釋康普頓效應(yīng)

光子不僅具有能量，而且具有動量，光子的動量p與光的波長λ和普朗克常量h有關(guān)：波長變長的解釋：P↓

λ↑——五、光的波粒二象性1、人類對光的認(rèn)識過程牛頓光的微粒說光是實物粒子惠更斯和托馬斯楊的光的波動說光是振動形式在媒質(zhì)的傳播——波到麥克斯韋的光的電磁理論光是電磁波愛因斯坦的光子理論光是能量子即光子干涉衍射表明光是一種波表明光是一種粒子光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。2、光的波動性和光的粒子性光電效應(yīng)康普頓散射3、光的粒子性和波動性是相對的波粒二象性傳播的過程中，表現(xiàn)出波動性波長較長時，表現(xiàn)出波動性波長較短時，表現(xiàn)出粒子性與物體相互作用時，表現(xiàn)出粒子性

光的粒子性和波動性是在不同條件下的表現(xiàn)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

種電子常稱為光電子。⑴存在截止頻率：vc2、實驗規(guī)律⑵存在飽和電流：IC⑶存在遏止電壓：Uc

⑷光電效應(yīng)具有瞬時性<10-9s光的電磁理論與光電效應(yīng)的矛盾課堂小結(jié)光電效應(yīng)方程：EK=hv-W0

密立根驗證光電效應(yīng)方程：3、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論光本身就是由一個個不可分割能量子組成的。每一份稱為光量子。E=hν5、光的波粒二象性1.光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。2.傳播的過程中，表現(xiàn)出波動性；與物體相互作用時，表現(xiàn)出粒子性。3.波長較長時，表現(xiàn)出波動性；波長較短時，表現(xiàn)出粒子性。4、康普頓效應(yīng)和光子動量

康普頓效應(yīng)：在散射的X射線中，除了與人射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分。光子【例題1】在演示光電效應(yīng)實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用紫外線燈照射鋅板時，驗電器的指針張開一個角度，如圖所示，下列說法正確的是（）A.驗電器的指針帶正電B.若僅增大紫外線的頻率，則鋅板的逸出功增大C.若僅增大紫外線燈照射的強(qiáng)度，則單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少D.若僅減小紫外線燈照射的強(qiáng)度，則可能不發(fā)生光電效應(yīng)A典例分析解析：鋅板原來不帶電，用紫外線燈照射鋅板時，驗電器的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明鋅板在紫外線燈的照射下發(fā)生了光電效應(yīng)，發(fā)生光電效應(yīng)時，鋅板向空氣中發(fā)射電子，所以鋅板帶正電，驗電器的指針也帶正電，故A正確；金屬的逸出功與金屬本身的材料有關(guān)，與外界光的頻率無關(guān)，故B錯誤；增大紫外線燈照射的強(qiáng)度，即單位時間內(nèi)照在梓板上的光子數(shù)增多，所以單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)增多，故C錯誤；能否發(fā)生光電效應(yīng)與光照強(qiáng)度無關(guān)，取決于入射光的頻率和金屬截止頻率之間的關(guān)系，故D錯誤?！纠}2】圖甲是光電效應(yīng)的實驗裝置，圖乙是光電流與加在陰極K和陽極A上的電壓的關(guān)系。根據(jù)乙圖中的曲線，可知（）A.在光的顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大B.對某種確定的金屬來說，其遏止電壓只由入射光的頻率決定C.遏止電壓越大，說明從該金屬中逃出來的光電子的最大初動能越大D.只要增大電壓，光電流就會一直增大AC解析：由乙圖中黃光的曲線可知，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，A正確；由乙圖中黃光的曲線可知，遏止電壓與光的強(qiáng)弱無關(guān)，比較黃光和藍(lán)光，因為藍(lán)光的頻率大于黃光的頻率，而圖中藍(lán)光的遏止電壓大于黃光的遏止電壓，故B正確；根據(jù)Ekm=eUc可知，遏止電壓越大，說明從該金屬中逃出來的光電子的最大初動能越大，故C正確；增大電壓，當(dāng)電壓增大到一定值，電流達(dá)到飽和電流，不再增大，故D錯誤?！纠}3】用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)用某種頻率的光照射到光電管上時，電流表的讀數(shù)為I。則（）A.將開關(guān)S斷開，也會有電流流過電流表B.將變阻器的觸點c向a移動，光電子到達(dá)陽極時的速度必將變小C.如果減小入射光的光強(qiáng)，光電管中可能不會有光電子產(chǎn)生D.如果將電池極性反轉(zhuǎn)，光電管中可能不會有光電子產(chǎn)生A解析：開關(guān)S斷開，由于仍能發(fā)生光電效應(yīng)，光電子仍能到達(dá)陽極，故也會有電流流過電流表，故A正確；將變阻器的觸點c向a移動，所加正向電壓增大，則光電子到達(dá)陽極時的速度必將變大，故B錯誤；只要光的頻率不變，就能發(fā)生光電效應(yīng)，即光電管中有光電子產(chǎn)生，故C錯誤；將電池極性反轉(zhuǎn)，光電管中仍然有光電子產(chǎn)生，只是電流表讀數(shù)可能為零，故D錯誤?！纠}4】三束單色光1、2和3的波長分別為λ1、λ2和λ3(λ1＞λ2＞λ3).分別用這三束光照射同一種金屬.已知用光束2照射時，恰能產(chǎn)生光電子.下列說法正確的是（）A.用光束1照射時，不能產(chǎn)生光電子B.用光束3照射時，不能產(chǎn)生光電子C.用光束2照射時，光越強(qiáng)，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)目越多D.用光束2照射時，光越強(qiáng)，產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大AC解析：由于用光束2照射時，恰能產(chǎn)生光電子，因此用光束1照射時，不能產(chǎn)生光電子，而用光束3照射時，一定能產(chǎn)生光電子，故A正確，B錯誤；用光束2照射時，光越強(qiáng)，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)目越多，而由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，光電子的最大初動能與光的強(qiáng)弱無關(guān)，故C正確，D錯誤?！纠}5】如圖所示是光電效應(yīng)實驗部分示意圖。當(dāng)用光子能量為hν＝3.1eV的光照射其金屬制成的極板K時，產(chǎn)生光電流。若K的電勢高于A的電勢，且電勢差為0.9V，此時光電流剛好截止。那么，當(dāng)A的電勢高于K的電勢，且電勢差也為0.9V時，光電子到達(dá)A極時的最大動能是多大？此金屬的逸出功是多大？解析：設(shè)光電子逸出時最大初動能為Ek，到達(dá)A極的最大動能為Ek′當(dāng)A、K間所加反向電壓為0.9V時，由動能定理有eU＝Ek

得Ek＝0.9eV當(dāng)A、K間所加正向電壓為0.9V時，由動能定理有eU′＝Ek′－Ek

得Ek′＝1.8eV由光電效應(yīng)方程有Ek＝hν－W0得W0＝2.2eV.【例題6】美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運動方向也會發(fā)生相應(yīng)的改變。下列說法正確的是（）A.當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大B.康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C.X光散射后與散射前相比，速度變小D.散射后的光子雖然改變原來的運動方向，但頻率保持不變B解析：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，則光子動量減小，但速度仍為光速C?！纠}7】(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是（）A.有的光是波，有的光是粒子B.光子與電子是同樣的一種粒子C.光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D.康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性CD解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些現(xiàn)象(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些現(xiàn)象(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子，A錯誤；電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，B錯誤；光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，C正確；康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性，D正確。學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)1．[福建泉州教科所模擬預(yù)測]某金屬在黃光照射下不能發(fā)生光電效應(yīng)，以下可能使它發(fā)生光電效應(yīng)的是(

)A．增加黃光的照射時間B．增大黃光的照射強(qiáng)度C．改用紅光照射D．改用紫光照射答案：D解析：要使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)，可以增大入射光的頻率(或減短入射光的波長)．延長作用時間、增大光的強(qiáng)度都不會使金屬發(fā)生光電效應(yīng)，所以可能使它發(fā)生光電效應(yīng)的是改用頻率更大的紫光照射，故選D.2．用波長為300nm的光照射鋅板，電子逸出鋅板表面的最大初動能為1.28×10－19

J．已知普朗克常量為6.63×10－34

J·s，真空中的光速為3.00×108

m·s－1，能使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的單色光的最低頻率約為(

)A．1×1014

Hz

B．8×1014

HzC．2×1015

Hz

D．8×1015

Hz答案：B

3．(多選)如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線，普朗克常量h＝6.63×10－34

J·s，由圖可知(

)A．該金屬的極限頻率為4.3×1014

HzB．該金屬的極限頻率為5.5×1014

HzC．該圖線的斜率表示普朗克常量D．該金屬的逸出功為0.5eV答案：AC解析：根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，Ek-ν圖線與橫軸的截距大小等于截止頻率，圖線的斜率表示普朗克常量h，則該金屬的截止頻率為4.3×1014Hz，故A、C正確，B錯誤．當(dāng)Ek＝hν－W