資源簡介

(共37張PPT)
光電效應
4.2
教學目標
了解光的波粒二象性
知道愛因斯坦的光子說及對光電效應的解釋，會用光電效應方程解決一些簡單問題
知道光電效應現(xiàn)象，了解光電效應的實驗規(guī)律
把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，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。
新課引入
這個現(xiàn)象說明了什么問題？
鋅板在照射下失去電子
光電效應
用紫外線燈照射后，驗電器張開的指針夾角會變小，說明鋅板帶的負電荷變少了。這意味著，紫外線會讓電子從鋅板表面逸出。
當光照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應。逸出的電子稱為光電子。
01
光電效應的實驗規(guī)律
光電效應的實驗規(guī)律
如圖，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，陰極K在受到光照時能夠發(fā)射光電子。電源按圖示極性連接時，閉合開關后，陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，在電路中形成光電流。
這導致電壓U為0時電流I并不為0（滑片移到最左端時，電壓U為0）。
截止頻率
當入射光頻率減小到某一數(shù)值 c 時，A、K極板間不加反向電壓，電流也為0。此時的光的頻率 c即為截止頻率。
注：1.金屬要發(fā)生光電效應與入射光強弱無關，只與頻率有關。
2.入射光頻率低于截止頻率時，無論光照多強，金屬都不會發(fā)生光電效應！
3.不同金屬的截止頻率不同，截止頻率與金屬自身的性質有關。
4.當頻率超過截止頻率vc時，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時會立即產(chǎn)生光電流。精確測量表明產(chǎn)生電流的時間很快，即光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的。
飽和電流
光電流與電壓的關系
光照不變，增大UAK，G表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。
實驗表明：在光的頻率（顏色）不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。
遏止電壓
當K、A間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值Uc時，光電流恰為0。Uc稱遏止電壓。
最大初動能
注：1.對于一定顏色(頻率)的光，無論光的強弱如何，遏止電壓是一樣的；光的頻率 改變，遏止電壓也會改變。
2.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。
光電效應的瞬時性
當頻率大于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
截止頻率
飽和電流
遏止電壓
規(guī)律
→頻率
→光強
→頻率
瞬時<10-9s
令科學家感到困惑
(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應。( )
(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應與入射光的強弱有關。( )
(3)發(fā)生光電效應時，光的顏色不變時，入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)越多。( )
(4)入射光照射到金屬表面上時，光電子幾乎是瞬時發(fā)射的。( )
(5) “光子”就是“光電子”的簡稱。( )
(6)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。( )
(7)飽和電流與光強有關，與所加的正向電壓大小無關。( )
×
×
√
√
×
×
√
小試牛刀
02
光電效應經(jīng)典解釋中的疑難
光電效應經(jīng)典解釋中的疑難
思考：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。但在溫度不很高時，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢
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。
溫度不很高時，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，必須克服這個引力做功。
光電效應經(jīng)典解釋中的疑難
當光照射金屬表面時，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。光越強，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。
幾種金屬的截止頻率和逸出功
光電效應經(jīng)典解釋中的疑難
經(jīng)典電磁理論解釋的困難
03
愛因斯坦的光電效應
愛因斯坦的光電效應
1.光子：
光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。
2.愛因斯坦的光電效應方程
或
——光電子最大初動能
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逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek，即：



——金屬的逸出功

3.光電效應的Ek-ν圖像：

①斜率k=h（普朗克常數(shù)）
②橫截距νc（截止頻率）
③縱截距為－W0（逸出功的負值）
愛因斯坦的光電效應
① Ek = hν－W0 表明：只有當 hν > W0 時，光電子才可以從金屬中逸出， νc = W0 /h 就是金屬的截止頻率。
4. 對光電效應的解釋
② Ek = hν－W0 表明：光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，而與光的強弱無關，這就解釋了遏止電壓和光強無關。
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，所以光電流幾乎是 瞬時產(chǎn)生的。
④ 對于同頻率的光，光較強時，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。
愛因斯坦的光電效應
5. 對光電效應方程的檢驗
EK=hv-w0
測量金屬的遏止電壓Uc和入射光的頻率v，計算出普朗克常量h，并與普朗克通過黑體輻射得出的h相比較誤差不超過0.5%。
04
康普頓效應
和光子的動量
康普頓效應和光子的動量
1.光的散射
光束通過某些介質時，可以看到光的散射現(xiàn)象。
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(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關，而與入射線波長和散射物質都無關。這種波長改變的散射稱為康普頓效應。
經(jīng)典理論無法解釋康普頓效應。
經(jīng)典理論認為：物質中的電子會隨入射光以相同的頻率振動，并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無法解釋有Δλ存在的實驗規(guī)律。
X-ray


康普頓效應和光子的動量
3.康普頓效應的光量子理論解釋
（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(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質量遠小于原子質量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。
（3）因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。
康普頓效應和光子的動量
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。
康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。
05
光的波粒二象性
光的波粒二象性
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：
愛因斯坦質能方程：
光子能量：
E=hν
光的波粒二象性
大量事實說明：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性
光在傳播過程中表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。
光的波粒二象性
光在與物質發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，如光電效應、康普頓效應.
小試牛刀
1、對黑體的認識，下列說法正確的是（ ）
A.黑體不僅能吸收電磁波，也能反射電磁波
B.黑體是黑色的且其自身輻射電磁波
C.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除了與溫度有關，還與材料的種
類及其表面狀況有關
D.黑體是一種理想化模型，實際物體沒有絕對黑體
D
小試牛刀
2.下列描繪兩種溫度下黑體輻射強度與波長關系的圖中，符合黑體輻射實驗規(guī)律的是（ ）
A
A B C D
小試牛刀

ABC
小試牛刀
4.如圖是研究光電效應的裝置，用某一頻率的光束照射金屬板K，有粒子逸出，則（ 　　）
A．逸出的粒子帶正電
B．改變光束的頻率，金屬的逸出功隨之改變
C．減小光束的光強，逸出的粒子初動能不變
D．減小光束的頻率，金屬板K可能沒有粒子逸出
CD
1.兩條對應關系。
(1)同一種光的光照強→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大。
(2)光頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。
2.三個關系式。
(1)愛因斯坦光電效應方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初動能與遏止電壓的關系:Ek=eUc。
(3)逸出功與極限頻率的關系W0=hνc。
1.兩條對應關系。
(1)同一種光的光照強→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大。
(2)光頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。
2.三個關系式。
(1)愛因斯坦光電效應方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初動能與遏止電壓的關系:Ek=eUc。
(3)逸出功與極限頻率的關系W0=hνc。
課堂小結
光電效應的實驗規(guī)律
愛因斯坦的光電效應理論
康普頓效應和光子的動量
光的波粒二象性——量子電動力學
光電效應經(jīng)典解釋中的疑難
1887年，赫茲在發(fā)現(xiàn)了光電效應現(xiàn)象
①存在截止頻率； ②存在飽和電流；
③存在遏止電壓； ④具有瞬時性。
①無法解釋存在截止頻率；
②無法解釋遏止電壓與光強無關；
③無法解釋光電效應的瞬時性。
①光子的能量： =hv
②光電效應方程：Ek = hν－W0
③對光電效應是按規(guī)律的解釋（略）
光
電
效
應

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