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(共37張PPT)
4.2 光電效應
光是什么？
光是一種電磁波，有波長和頻率 c =λν
不同顏色的光頻率不同,光的顏色（頻率）由光源來決定，在不同介質中傳播時波速會變，但頻率不變。
不同顏色的光在真空中傳播速度都等于c。
不同顏色的光在同一種介質中傳播速度不相同，頻率大的速度小
背景知識
一、光電效應現象
當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為光電效應。
光電子：逸出的電子稱為光電子。
光電流：光電子定向移動形成的電流。
新課講授
二、光電效應的實驗規律
電流表：測光電流的大小
電壓表：測兩極之間的電壓大小
滑動變阻器：改變兩極之間的電壓大小
光電管
新課講授
實驗結論：
存在飽和電流，入射光越強，單位時間內發射的光電子數越 。飽和電流越 .
大
多
新課講授
二、光電效應的實驗規律
Is
I
0
UAK
Is
黃光（強）
黃光（弱）
UAK=0時，Is =0嗎？
怎樣才能讓電流減小為0？
新課講授
二、光電效應的實驗規律
使光電流減小到零的反向電壓.
－
+ + + + + +
一 一 一 一 一 一
vC
當加反向電壓時，如右圖所示：
光電子作減速運動。設其中速率最大的是Vc；
最大的初動能
U=0時，I≠0，
因為電子有初速度；
則I=0，式中UC為遏止電壓
2.存在遏止電壓UC ：
E
E
U
F
K
A
理論推導
二、光電效應的實驗規律
I
I
黃光（ 強）
黃光（ 弱）
遏
止
電
壓
藍光
U2
U1
2.存在遏止電壓
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二、光電效應的實驗規律
實驗結論：光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，與入射光的強弱無關。
遏止電壓與光的頻率有關，與入射光的強弱無關，
光的頻率v越高，遏止電壓越 大 。
經研究后發現：
3.存在截止頻率νc
對于每種金屬，都相應確定的截止頻率νc 。
當入射光頻率ν νc 時，電子才能逸出金屬表面；
當入射光頻率ν νc時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。
>
<
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二、光電效應的實驗規律
△當頻率超過截止頻率時，無論入射光怎樣微弱，幾乎在照到金屬時立即產生光電流。
△精確測量表明產生電流的時間不超過10-9秒，即光電效應幾乎是瞬時的。
4.具有瞬時性
新課講授
結論：光電效應幾乎是瞬時發生的。
實驗結論：
當入射光的頻率大于極限頻率時，入射光強度越強，飽和電流越大；
光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；
對于任何一種金屬，都有一個截止頻率νc ，入射光的頻率必須大于這個截止頻率，才能發生光電效應，低于這個頻率就不能發生光電效應；
光電子的發射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9s.
1.存在飽和電流
2.存在遏止電壓
4.具有瞬時性
3.存在截止頻率
以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應。
實驗結論
經典電磁理論
入射光的越強，飽和電流越大
強度越大，逸出的光電子數越多，光電流越大
遏止電壓只與頻率有關，而與強度無關。
遏止電壓應與入射光的強度有關。
如果光較弱，只要積累足夠長時間，電子獲得足夠能量就會形成光電子
存在截止頻率νc 當入射光頻率低于截止頻率，不能發生光電效應
光電效應具有瞬時性
能量的可以隨時間積累
對比
吻合
不符
不符
不符
為了解釋光電效應，愛因斯坦在能量子假說的基礎上提出光子理論，提出了光量子假設。
光電效應解釋中的疑難
1.光子說(愛因斯坦于1905年提出)
三.愛因斯坦的光電效應方程
閱讀課本28頁”能量子”和課本32頁最后一段，回答以下問題：
（1）在空間傳播的光是連續還是是一份一份的？
（2）光子的能量與什么有關系？
（3）光子的能量如何表示？
在空間傳播的光不是連續的而是一份一份的，每一份叫做一個光子.
光子的能量跟它的頻率成正比
E＝h ν
ν表示光的頻率
h 叫普朗克常量，h＝6.63×10-34焦耳．秒
2.光電效應方程
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.
Ek＝hν－W0
閱讀課本32-33頁，回答以下問題：
①逸出功：
有：W0= hν0
不同金屬，其逸出功 同。
不
②光電效應方程：
一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的 ，剩下的表現為逸出后電子的 ，即： 。
逸出功W0
初動能Ek
或
三.愛因斯坦的光電效應方程
三.愛因斯坦的光電效應方程
3.用圖象表示光電效應方程
(2)由曲線可以得到的物理量
①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標ν0。
②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值W0＝E。
③普朗克常量：圖線的斜率k＝h。
(1)最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖線如圖
4.對光電效應的實驗現象解釋：
⑤光強較大時，包含的光子數較多，照射金屬時產生的光電子多，因而飽和電流大。
①任何一種金屬都存在極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發生光電效應，低于這個頻率就不能發生光電效應；
② 當入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光的強度成正比；
③光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；
④入射光照到金屬上時，光電子的發射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒。
三.愛因斯坦的光電效應方程
影響飽和電流、截止頻率、遏止電壓的因素
1、只要入射光頻率超過截止頻率，飽和電流的大小只與單位時間內的光子數有關。
2、截止頻率只與金屬的逸出功有關，即只
與金屬的種類有關。
3、遏止電壓與入射光頻率和逸出功有關。
歸納總結
愛因斯坦提出光子說解釋光電效應的時候，實驗測量尚不精確，加上這種觀點與當時的理論大相徑庭，因此并未被物理學家們廣泛承認，甚至被說成是“在思辨中迷失目標”的“冒昧的假設”。
光電效應理論的實驗證據
美國物理學家密立根，花了十年時間做光電效應實驗，測量金屬的遏止電壓與入射光的頻率，由此算出普朗克常量h ，并與普朗克根據黑體輻射得出的h相比較，在1915年證實了愛因斯坦的光電效應方程，兩種方法得到的普朗克常量h 在0.5%的誤差范圍內一致，又一次證明了“光量子假說 ”理論的正確。
光電效應顯示了光的粒子性。光子不但具有能量，也具有動量。
三.愛因斯坦的光電效應方程
愛因斯坦由于對光電效應的解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎.
密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎.
例題：由密立根實驗(Uc和v的關系)計算普朗克常量
Ek＝hν－W0
1、在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器指針張開一個角度，如圖所示，這時 ( )
A．鋅板帶正電，指針帶負電
B．鋅板帶正電，指針帶正電
C．鋅板帶負電，指針帶正電
D．鋅板帶負電，指針帶負電
B
鞏固練習
2、若用綠光照射某種金屬板不能發生光電效應，則下列哪一種方法可能使該金屬發生光電效應（ ）
A. 增大入射光的強度
B. 增加光的照射時間
C. 改用黃光照射
D. 改用紫光照射
D
鞏固練習
3、在光電效應實驗中，飛飛同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示．則可判斷出(　　)
A．甲光的頻率大于乙光的頻率
B．乙光的波長大于丙光的波長
C．乙光對應的截止頻率大于丙
光的截止頻率
D．甲光對應的光電子最大初動
能大于丙光的光電子最大初動能
B
鞏固練習
4、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長λ甲>λ乙>λ丙，則（ ）
A 用三種入射光照射金屬a ，均可發生光電效應
B 用三種入射光照射金屬c ，均可發生光電效應
C 用入射光甲和乙同時照射金屬c，可能發生光電效應
D 用入射光甲照射金屬b ，可能發生光電效應
鞏固練習
A
5、用綠光照射一光電管能產生光電效應，欲使光電子從陰極逸出時的最大初動能增大應（ ）
A、改用紅光照射
B、增大綠光的強度
C、增大光電管上的加速電壓
D、改用紫光照射
鞏固練習
D
放大器
控制機構
可以用于自動控制，自動計數、自動報警、自動跟蹤等。
5.光電效應在近代技術中的應用
1.光控繼電器
可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。
2.光電倍增管
應 用
光電管
光
電源
電流計
I
A
K
光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方向發生改變,這種現象叫做光的散射。
2.康普頓效應
1923年康普頓在做 X 射線通過物質散射的實驗時，發現散射線中除有與入射線波長λ0相同的射線外，還有波長比λ0更大的成分。
四.康普頓效應
康普頓正在測晶體對X 射線的散射
1.光的散射
新課講授
3.康普頓散射的實驗裝置：
晶體
光闌
X 射線管
探
測
器
X 射線譜儀
石墨體
(散射物質)
j
0
散射波長
四.康普頓效應
經典電磁理論在解釋康普頓效應的困難
根據經典電磁波理論，當電磁波通過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發射的散射光頻率應等于入射光頻率。
即：如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光也應該是X光！不會出現波長更長的波。
新課講授
四.康普頓效應
新課講授
四.康普頓效應
光子理論對康普頓效應的解釋
①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。
②若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，相當于光子與整個原子碰撞，由于光子質量遠小于原子質量，根據碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。
新課講授
四.康普頓效應
4.康普頓散射實驗的意義
（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設；
（2）首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設；
（3）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。
康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。
康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。
新課講授
四.康普頓效應
5.吳有訓對研究康普頓效應的貢獻
吳有訓
1923年,參加了發現康普頓效應的研究工作.
1925—1926年，吳有訓用銀的X射線( 0 =5.62nm) 為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質，
在同一散射角( )測量各種波
長的散射光強度，作了大量 X 射線
散射實驗。
對證實康普頓效應作出了重要貢獻。
動量、能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的
光子的能量：
光子的動量：
新課講授
五.光子的動量
課堂小結
1.光電效應現象
3.愛因斯坦光電效應方程及其對實驗結論的解釋
Ek＝hν－W0
●解釋截止頻率
●解釋飽和光電流
●解釋瞬時性
●入射光越強，單位時間中發射的光電子越多
●光電子的能量只與入射光的頻率有關。入射光的頻率低
于截止頻率（極限頻率）時不能發生光電效應。
2.光電效應規律
●光電效應具有瞬時性
●光子說的實驗證據：康普頓效應
6. 能引起人的視覺感應的最小能量為10-18J，已知可見光的平均波長約為0.6 m，則進入人眼的光子數至少為 個，恰能引起人眼的感覺.
練習
3
練習
7、在可見光范圍內，哪種顏色光的光子能量最大？想想看，這種光是否一定最亮？為什么？
在可見光范圍內，紫光的光子能量最大，因為其頻率最高。
紫光不是最亮的。
一為光強，
因為光的亮度由兩個因素決定，
二為人眼的視覺靈敏度。
在光強相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應最亮。

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