光电效应+高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第四章原子结构和波粒二象性第2节光电效应（1）把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。情境与思考实验现象：锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。1.定义：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。光电效应2.光电子：光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。★光电管：利用光电效应制成的一种光学元件，可以把光信号转变为电信号。1.定义：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。光电效应2.光电子：光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。思考：我们如何探究光电效应的规律和

电子逸出情况呢？1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应。后来这一现象引起许多物理学家的关注。德国物理学家勒纳德、英国物理学家J.J.汤姆逊等相继进行了实验研究，证实了这个现象。研究光电效应中电子的发射情况与照射光的强弱、颜色(频率)等物理量间的关系。2.实验装置：①阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子。②阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整。④若阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，

光电流越大，说明光电效应越强。1.实验目的：光电效应的实验③电源的正负极也可以对调。右图中所加的电压为正

向电压，即A极的电势高于K极的电势，光电子从

阴极K逸出后，在AK之间被电场加速；若加反向电

压，光电子会被减速。光电效应的实验规律实验表明：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电子不再逸出，νc称为截止频率或极限频率。不同金属的截止频率νc不同，即截止频率与金属自身的性质有关。①当入射光频率ν

>νc时，光电子才能逸出金属表面；②当入射光频率ν

<νc时，无论光强多大也无光电子逸出。(1)存在截止频率(极限频率)νc：→与材料有关光电效应的实验规律(2)存在饱和电流：在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。①在光的频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，故饱和电流越大。→与入射光强度(单位时间在单位面积上接收的总能量)有关光照条件不变的情况下，随着电压增大，光电流趋于一个饱和值。②待补充。光电效应的实验规律(3)存在遏止电压Uc：

使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。①对于同一种颜色(频率)的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样。②光的频率越大时，遏止电压越大。→与入射光频率有关光电效应的实验规律(3)存在遏止电压Uc：→与入射光频率有关当具有最大初动能的光电子垂直到达阳极A时，动能刚好减小为零：此时反向电压逐渐增大，光电子作减速运动，光电流逐渐减小；－++++----vEEUFKA是否所有光电子初动能都一样？光电子逸出时是否有初动能？光电效应的实验规律(4)光电效应具有瞬时性：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10-9s，这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”。思考：金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不是

很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢？光电效应经典解释中的疑难1.逸出功：金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属表面的逸出功。光电效应实验经典电磁理论存在截止频率→与材料有关存在遏止电压→与入射光频率有关具有瞬时性光电效应经典解释中的疑难光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关。如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。★以上结论都与实验结果相矛盾！2.经典电磁理论：光是一种波，具有连续性和累积效果。不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。爱因斯坦的光电效应理论

能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。普朗克爱因斯坦在这个假说的启发下，爱因斯坦在1905年发表了题为《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的文章。

爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。ε

=hν光子的能量：1.光量子理论：爱因斯坦的光电效应理论

金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。爱因斯坦通过这个方程完美地解释了光电效应实验的规律。hv＝W0+EkEk=hv

-W02.光电效应方程：只有金属表面逸出的电子才具有最大初动能，其他电子的动能是0~

Ek范围内的任意值。金属的逸出功第四章原子结构和波粒二象性第2节光电效应（2）-爱因斯坦的光电效应理论3.光子说对光电效应的解释：Ek=hv

-W0(1)截止频率：实验中光照射到金属时，金属中一个电子只能吸收一个光子的能量，即hv。hv>W0

→产生光电效应hv<W0

→无光电效应hvc=W0

→①斜率k=h②纵截距-W0③横截距νc→与材料有关爱因斯坦的光电效应理论3.光子说对光电效应的解释：(2)饱和电流：→与入射光强度(单位时间在单位面积上接收的总能量)有关①在光的频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，故饱和电流越大。②在光强不变的情况下，入射光频率越大，根据E=nhν，单位时间内发出的光子数越少，故饱和电流越小。爱因斯坦的光电效应理论3.光子说对光电效应的解释：(3)遏止电压：eUc=hv-W0→与入射光频率有关爱因斯坦的光电效应理论3.光子说对光电效应的解释：★到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。(4)具有瞬时性：电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）。思考：爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc。那么，怎样得到遏止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢？

eUc=hv-W0为什么图像不一样？爱因斯坦的光电效应理论

根据光电效应测得h与普朗克黑体辐射得出的h在误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据，因此爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。

爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。

光子像其他粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。4.密立根验证光电效应方程：爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖。密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。两位wuli大佬康普顿效应和光子的动量X射线λ＝λ0石墨体（散射物质）λ=λ0λ>λ01.康普顿效应：

思考：我们知道，光可以与介质中的物质微粒发生散射，改变传播方向，这叫光的

散射。那么散射波长会发生怎样的变化呢？2.经典物理学的解释：入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。但是，散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。所以X射线的波长不应该在散射中发生变化。显然经典物理学无法解释。

1923年，康普顿的学生，中国留学生吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。1925－1926年，吴有训用银的X射线为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验，对证实康普顿效应作出了重要贡献。康普顿效应和光子的动量5.量子理论解释康普顿效应：康普顿认为，光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：波长变长的解释：p↓→λ↑基于这个假定的理论结果与实验符合得很好。康普顿效应让人们对光子有了更深入的认识，进一步说明