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4.2光電效應(yīng)
核心素養(yǎng)目標(biāo)
1.通過實驗，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實驗規(guī)律
2.了解愛因斯坦光電效應(yīng)理論及其意義，能用愛因斯坦光電效應(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)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性
問題
此時會看到驗電器的薄片張角逐漸減小，這說明紫外光照射會使電子從鋅板表面逸出。
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。
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，這個現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，這個電子稱為光電子.
1）定義：
2）研究光電效應(yīng)的實驗裝置
3）光電效應(yīng)本質(zhì)
金屬原子最外層電子在做無規(guī)則熱運動，溫度不高時，動能很小，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，電子吸收光子的能量而動能變大，從而克服阻力從金屬表面掙脫出來。
一 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律
2.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律
1）存在截止頻率
頻率低于νc的入射光，無論光的強(qiáng)度多大，照射時間多長，都不能使光電子逸出，這個νc叫截止頻率.
2）存在飽和電流
光照條件不變時U增大，光電流I趨于一個飽和值.
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。
實驗表明：入射光越強(qiáng)，單位時間內(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的，產(chǎn)生光電流的時間不超過10-9s
4）光電效應(yīng)的瞬時性
如果施加反向電壓，也就是陰極K接電源正極、陽極A接電源負(fù)極，在光電管兩極間形成使電子減速的電場，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。
最大初動能：
思考與討論
金屬中原子外層的電子會脫離原子而做無規(guī)則熱運動，但在溫度不很高時，電子并不能大量逸出金屬表面，這說明什么？
說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，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脫離原子而做無規(guī)則的熱運動。但在溫度不是很高時，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，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) 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
按照光的電磁理論，能否解釋下列問題。
(1)截止頻率的存在。
(2)遏止電壓Uc應(yīng)該與光的強(qiáng)弱無關(guān)。
(3)光電效應(yīng)的瞬時性。
對于光電效應(yīng)的解釋，愛因斯坦是在普朗克量子假說的基礎(chǔ)上作出的。在這個假說的啟發(fā)下，愛因斯坦在1905年發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點》的文章。
他表示，普朗克關(guān)于黑體輻射問題的嶄新觀點還不夠徹底，僅僅認(rèn)為振動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個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。這些能量子后來稱為光子。
三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
按照愛因斯坦的理論（圖4.2-3），當(dāng)光子照到金屬上時，它的能量可以被金屬中的某個電子全部吸收，金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是 hv，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動能，即
上式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程，式中Ek 為光電子的最大初動能
三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
從下面的討論可以看出，愛因斯坦光電效應(yīng)方程可以很好地解釋光電效應(yīng)實驗中的各種現(xiàn)象。
1、 這個方程表明，只有當(dāng)hv > W0 時，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、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
從下面的討論可以看出，愛因斯坦光電效應(yīng)方程可以很好地解釋光電效應(yīng)實驗中的各種現(xiàn)象。
2、這個方程還表明，光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率v有關(guān)，而與光的強(qiáng)弱無關(guān)。這就解釋了遏止電壓和光強(qiáng)無關(guān)
三、愛因斯坦的光電效應(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間，光電流自然幾乎是瞬時產(chǎn)生的
4、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。
思考與討論： 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？
三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
利用光電子的初動能
和愛因斯坦光電效應(yīng)方程
可得：
三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
對于確定的金屬，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、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
從1907年起，美國物理學(xué)家密立根開始以精湛的技術(shù)測量光電效應(yīng)中幾個重要的物理量。他的目的是：測量金屬的截止電壓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，以檢驗愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性
實驗的結(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。這為愛因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實驗證據(jù)。
愛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
四、康普頓效應(yīng)和光子動量
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)。
λ0
=λ0
>λ0
2.經(jīng)典理論的解釋康普頓效應(yīng)
石墨
X射線
λ0
受迫振動
反射波
散射波
>λ0
振動頻率=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)無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋。
=散射光頻率
=λ0
3.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↑
光子的動量P
康普頓獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎
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驗上確認(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)光既有波動性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
對光的認(rèn)識的幾種學(xué)說
學(xué)說名稱 微粒說 波動說 電磁說 光子說 波粒二象性
代表人物 牛頓 惠更斯 麥克斯韋 愛因斯坦 公認(rèn)
實驗依據(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) 光既有波動現(xiàn)象，又有粒子特征
對光的認(rèn)識的幾種學(xué)說
內(nèi)容要點 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
對光的波粒二象性的理解
實驗基礎(chǔ) 表現(xiàn) 說明
光的波動性 干涉和衍射 (1)光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述(2)足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(3)波長長的光容易表現(xiàn)出波動性 (1)光的波動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)光的波動性不同于宏觀觀念的波
對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，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性(3)波長短的光，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
考點一　光電效應(yīng)現(xiàn)象及實驗規(guī)律
1.不帶電的鋅板和驗電器用導(dǎo)線相連.若用甲燈照射鋅板，驗電器的金屬箔片不張開；若用乙燈照射鋅板，驗電器的金屬箔片張開，如圖1所示，則與甲燈相比，乙燈發(fā)出的光
A.頻率更高 B.波長更大
C.光強(qiáng)更強(qiáng) D.速度更大
√
圖1
2.對光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解，下列說法正確的是
A.當(dāng)某種單色光照射金屬表面時，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，光強(qiáng)越強(qiáng)，單位時間內(nèi)逸出
的光電子數(shù)就越多
C.無論光強(qiáng)多強(qiáng)，只要光的頻率小于截止頻率就能產(chǎn)生光電效應(yīng)
D.以上說法都不正確
√
D
課堂小結(jié)
一、光電效應(yīng)
1、光電效應(yīng)概念
2、實驗規(guī)律
3、實驗規(guī)律與經(jīng)典物理解釋的矛盾
4、愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋
二、康普頓效應(yīng)
1、康普頓效應(yīng)概念
2、經(jīng)典物理解釋的困難
3、光子模型對康普頓效應(yīng)的解釋
三、光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的意義
光具有粒子性，光子具有能量
光具有粒子性，光子具有動量

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