第1讲　光电效应　波粒二象性

第十五章

原子物理第1讲光电效应波粒二象性一、光电效应1．光电效应现象(1)定义：在光的照射下，金属中的_____从表面逸出的现象，发射出来的电子叫________。(2)产生条件：入射光的频率____________金属的极限频率。电子光电子大于或等于2．光电效应的三条规律(1)每种金属都有一个______频率，入射光的频率必须____________这个极限频率才能产生光电效应。(2)光电子的最大初动能与入射光的_____无关，只随入射光频率的增大而_____。(3)光电效应的发生几乎是______的，一般不超过10－9s。二、爱因斯坦光电效应方程1．光子说(1)在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝___。(2)普朗克常量：h＝6.63×10－34J·s。极限大于或等于强度增大瞬时hνW0最小值电子逸出功W0三、光的波粒二象性与物质波1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有_____性。(2)光电效应说明光具有______性。(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的__________性。波动粒子波粒二象大小微点判断

(1)光子和光电子都是实物粒子。

()(2)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。

(

)(3)要想在光电效应实验中测到光电流，入射光子的能量必须大于金属的逸出功。

()(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。

()(5)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。

()(6)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律。

()(7)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性。

()××√×√×√提能点(一)对光电效应的理解(题点精研)一、光电效应1．与光电效应有关的五组概念对比(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。光子是因，光电子是果。(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。(3)光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，而光子能量E＝hν。(5)光的强度与饱和光电流：频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大，但不是简单的正比关系。2.光电效应的研究思路(1)两条线索：(2)两条对应关系：入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。[题点全训]1．[光电效应现象的理解](多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是

(

)A．保持入射光的频率不变，入射光的强度变大，饱和光电流变大

B．入射光的频率变高，饱和光电流变大C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D．保持入射光的强度不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生解析：根据光电效应实验得出的结论：保持入射光的频率不变，入射光的强度变大，饱和光电流变大，故A正确，B错误；根据爱因斯坦光电效应方程得：入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故C正确；遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，保持入射光的强度不变，若低于截止频率，则没有光电流产生，故D错误。答案：AC

3．[光电效应规律的研究](多选)如图所示的电路可研究光电效应规律。图中标有A和K的为光电管，其中A为阳极，K为阴极。理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来显示光电管两端的电压。现接通电源，用光子能量为10.5eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0V。现保持滑片P位置不变，以下判断正确的是

(

)A．光电管阴极材料的逸出功为4.5eVB．若增大入射光的强度，电流计的读数不为零C．若用光子能量为12eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能一定变大D．若用光子能量为9.5eV的光照射阴极K，同时把滑片P向左移动少许，电流计的读数一定不为零解析：由题给电路图可知，图中所加电压为反向减速电压，根据题意可知遏止电压为6V，由Ek＝hν－W0＝eUc，得W0＝4.5eV，选项A正确；当电压达到遏止电压时，所有电子都不能到达A极，无论光强如何变化，电流计示数仍为零，选项B错误；若光子能量增大，根据光电效应方程，光电子的最大初动能一定变大，选项C正确；若用光子能量为9.5eV的光照射阴极K，则遏止电压为5V，滑片P向左移动少许，电流计的读数可能仍为零，选项D错误。答案：AC二、光电效应方程1．爱因斯坦的光电效应方程的理解(1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0。(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止电压。(3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc。[题点全训]4．[爱因斯坦的光电效应方程的理解](多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是

(

)A．若νa>νb，则一定有Ua<UbB．若νa>νb，则一定有Eka>EkbC．若Ua<Ub，则一定有Eka<EkbD．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb解析：设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，则D项错误。答案：BC5.[爱因斯坦光电效应方程的应用]用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J。已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为

(

)A．1×1014Hz

B．8×1014HzC．2×1015Hz D．8×1015Hz答案：B

提能点(二)对波粒二象性、物质波的理解(题点精研)

分类研

1．[粒子性与康普顿效应]实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿散射，下列说法正确的是

(

)A．相对于散射前的入射光，散射光在介质中的传播速度变大B．若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应，则散射光照射该金属时，光电子的最大初动能将变大C．散射后电子的速度一定变大D．散射后电子的能量一定变大解析：光在介质中的传播速度只与介质本身有关，而与其他因素无关，散射前后的介质不变，所以散射光在介质中的传播速度保持不变，故A错误；根据题意，在逆康普顿散射中，能量从电子转移到光子，所以，散射后电子的速度和能量变小，光子的能量变大，光子的频率变大，故C、D错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，h和W0为定值，ν越大，E越大，因此若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应，则散射光照射该金属时，光电子的最大初动能将变大，故B正确。答案：B2．[粒子性与波动性的理解]用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，下图是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明

(

)A．光只有粒子性没有波动性B．光只有波动性没有粒子性C．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性D．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性解析：光具有波粒二象性，这些照片说明少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性，故D正确。答案：D

3．[波粒二象性的理解](多选)关于光的波粒二象性，正确的说法是

(

)A．光的频率越高，光子的能量越大，粒子性越显著B．光的波长越长，光的能量越小，波动性越显著C．频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性D．个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性解析：光具有波粒二象性，但在不同情况下表现不同，频率越高，波长越短，粒子性越强，反之波动性明显，个别光子易显示粒子性，大量光子显示波动性，故选项A、B、D正确。答案：ABD答案：D

握通法

光的波粒二象性的规律1．从数量上看：个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。2．从频率上看：频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象。提能点(三)光电效应的图像及应用(活化思维)图像名称图线形状读取信息最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①截止频率(极限频率)：横轴截距②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：横轴截距②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压Uc：横轴截距②饱和光电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ek＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2续表类型(一)

Ek-ν图像[例1]

用如图甲所示的装置研究光电效应现象。用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν

的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)，下列说法正确的是

(

)[答案]

A[针对训练]1．用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图像，已知钨的逸出功是4.54eV，锌的逸出功是3.34eV，若将二者的图线画在同一个Ek-ν图像中，如图所示，用实线表示钨的Ek-ν图像，虚线表示锌的Ek-ν图像，则正确反映这一过程的是(

)答案：B

类型(二)

Uc­ν图像[例2]用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示，实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，图线与横轴交点的横坐标为5.15×1014Hz。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则下列说法正确的是

(

)A．欲测遏止电压，应选择电源左端为正极B．当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数持续增大C．增大照射光的强度，产生的光电子的最大初动能一定增大D．如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek＝1.2×10－19J[解析]用题图甲所示的实验装置测量铷的遏止电压Uc与入射光频率ν，因此光电管左端应该是阳极，则电源左端为负极，故A错误；当电源左端为正极时，将滑动变阻器的滑片向右滑动的过程中，刚开始电压增大，光电流增大，当光电流达到饱和值，不再增大，即电流表读数的变化是先增大，后不变，故选项B错误；光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的逸出功有关，与入射光的强度无关，故选项C错误；根据题图像可知，铷的截止频率νc＝5.15×1014Hz，根据hνc＝W0，则可求出该金属的逸出功大小，W0＝6.63×10－34×5.15×1014J＝3.41×10－19J，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，当入射光的频率为ν＝7.00×1014Hz时，则最大初动能为Ek＝6.63×10－34×7.0×1014J－3.41×10－19J＝1.2×10－19J，故选项D正确。[答案]

D答案：AB类型(三)

I-U图像[例3]用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流与照射光的强弱、频率等物理量的关系。图中A、K两极间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调，分别用a、b、c三束单色光照射，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压