17.2光的粒子性、光电效应

1、第二节光的粒子性,学习目标： 1.了解黑体和黑体辐射的实验规律，知道普朗克提出的能量子的假说 2理解光电效应的实验规律和爱因斯坦的光子说及其对光电效应的解释，了解光电效应方程，并会用来解决简单问题 3了解康普顿效应及光子的动量 重点难点：1.光电效应现象和实验规律 2光子说、光电效应方程，并会用来解决简单问题,一、黑体与黑体辐射 1热辐射：周围的一切物体都在辐射电磁波这种辐射与物体的_有关，所以叫做热辐 射 2黑体：某种物体能够_吸收入射的各种 波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对 黑体，简称黑体,温度,完全,二、黑体辐射的实验规律 1一般材料的物体，辐射的电磁波除与 _有关外，还与材料

2、的种类及表面状况有关 2黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有_另一方面，辐射强度的极大值向波长较_的方向移动,温度,增加,短,三、能量子 1定义：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的_即：能的辐射或者吸收只能是一份一份的这个不可再分的最小能量值叫做_ 2能量子大小：h，其中是电磁波的频率，h称为普朗克常量h_Js(一般取h6.631034 Js) 3能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的这种现象叫能量的量子化,整数倍,能量子,6.6261034,四、光电效应 光子,预备

3、知识： 1、电磁波谱：无线电波，红外线、可见光、紫外线、X射线、 射线,2、光的本质是电磁波，也有波长、频率和波速。 光有不同颜色，光的颜色取决于频率和波长 可见光按波长由长到短排列顺序： 红、橙、黄、绿蓝、靛、紫 可见光按频率由小到大排列顺序： 红、橙、黄、绿蓝、靛、紫,3、光子的能量：,4、光照强度（简称：光强）：I=nh,光照强度是指单位面积上所接收的可见光的能量，简称照度1 ， 单位勒克斯（Lux或Lx）。,光由一份一份组成，每一份称为一个光子,1.什么是光电效应,当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。,赫兹最初发现光电效应,验电器指针带正

4、电,思考： 1、电子逸出时需克服金属的束缚做功，从 哪里逸出做功最少？ 2、如果一个电子只能吸收一个光子的能 量，则发生光电效应时，入射光子的能 量至少是多少？,2、两个概念： （1）逸出功：电子摆脱金属束缚从金属中逸出所需做功的最小值叫做该金属的逸出功用W0表示，不同金属的逸出功_ （2）极限频率（截止频率）：使金属发生光电效应的入射光频率的最小值，叫该金属的极限频率，用 0表示。 不同金属的极限频率_ （3）二者的关系：,不同,不同,3、光电效应产生条件： 入射光子的能量超过金属的逸出功： 入射光子的频率大于极限频率：,4、光电子的初动能： 光电子的最大初动能：,（爱因斯坦的光电效应方程）

5、,光电效应方程表明：光电子的最大初动能与入射光的_有关，与光的强弱_关(填“无”或“有”)只有当h_W0时，才有光电子逸出,频率,无,5、光电效应实验： （1）电路图： （2）从阴极逸出的光电子速度大小、方向是怎样的？ （3）阴极K和阳极A间加正向电压时，电场对电子 的运动起什么作用？ 电压升高时，流过电流表的电流怎样变化？ （4）阴极K和阳极A间所加电压为0时，流过电流表的电流是0 吗？ （4）阴极K和阳极A间加反向电压时，电场对电子的运动 起什么作用？ 电压升高时，流过电流表的电流怎样变化？ 电压多大时，光电流变为0？ （5）入射光强度变大时，光电效应一定会发生吗？ 若能发生，饱和光电流如

6、何变化？,不同,阻碍,先变大后不变,不是0,促进（类抛体运动）,变小,euc=EKm,不,变大,（6）电子吸收光子的能量能随时间累积吗？,I,Uc,O,U,光 强 较 弱,光电效应伏安特性曲线,遏 止 电 压,光电效应的实验规律,1.横轴截距表示遏止电压 2.先加逐渐减小的反向电压（从遏止电压开始变化），后加逐渐变大的正向电压（从0开始变化）。 该过程电路中的光电流先变大，一旦达到饱和光电流，之后就不再变化， 3.增加光强，饱和光电流会增大,I,I,s,U,a,O,U,光 强 较 强,光 强 较 弱,遏 止 电 压,饱 和 电 流,光电效应的实验规律,3.增加光强， 饱和光电流会增大，但遏止电

7、压不变。,I,I,s,U,a,O,U,黄光（ 强）,黄光（ 弱）,光电效应伏安特性曲线,遏 止 电 压,饱 和 电 流,蓝光,U,b,光电效应的实验规律,4.光强不变，入射光由黄光变为蓝光， 饱和光电流会减小，遏止电压变大。,3.增加光强， 饱和光电流会增大，但遏止电压不变。,5、光电效应实验： （1）电路图： （2）阴极溢出的光电子速度大小、方向是怎样的？ （3）阴极K和阳极A间加正向电压时，电场对电子 的运动 起什么作用？ 电压升高时，流过电流表的电流怎样变化？ （4）阴极K和阳极A间加反向电压时，电场对 电子的运动 起什么作用？ 电压升高时，流过电流表的电流怎样变化？ 电压多大时，光电流

8、变为0？ （5）入射光强度变大时，光电效应一定会发生 吗？饱和 光电流如何变化？,2. 光电效应实验规律,.光电流与光强的关系,饱和光电流强度与入射光强度成正比。,.截止频率c -极限频率,对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c 。,当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；,当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10-9s。,6、实验规律（小结） (1)存在着_光电流，表明入射光颜色和强度一定，金属表面单位时间发射的光电子数_入射光越强，饱和光电流_表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数_,饱和,一定,越大,越多

9、,(2)存在着遏止电压和截止频率，遏止电压的存在 意味着光电子具有一定的_极限频 率的存在，说明当入射光的频率截止频率 时，不论光多么强，光电效应都不会发生 任何金属都有一个截止频率（也叫极限频率）c，入 射光的频率必满足c才能发生光电效应 (3)光电效应具有瞬时性，发生时间不超过109 s.,初速度,（二）.爱因斯坦的光量子假设,（1）.内容,光不仅在发射和吸收时以能量是一份一份的，而且光本身就是一个个不可分割的能量子组成的。频率为 的光旳能量子为 =h ，这些能量子后来称为光子。,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。

10、由能量守恒可得出：,（2）.爱因斯坦的光电效应方程,周一,3. 从方程可以看出光电子增大初动能和照射光的频率成线性关系，与光强无关； 4.从光电效应方程中，当初动能为零时， ，可得极极限频率：,（3）爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 同种颜色的光，光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以饱和光电流也大。 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属 表面逸出，所以不需时间的累积。,由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。,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。,（4）.光电效应理论的验证,美国

11、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。,测多组Uc和v,利用爱因斯坦光电效应方程列方程组或做UC-V图像，解出h的实验值,再和理论值比较。,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,。,一、光电效应中几个易混淆的概念 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，光子是光电效应的因

12、，光电子是果,疑难点辨析：,2光电子的动能与光电子的最大初动能 光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；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，这个饱和值就是饱和光电流在一定的光照条件（颜色，光照强度相同）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，光子能量即每个光子的能量光子

13、总能量等于光子能量与入射光子数的乘积,特别提醒： (1)光电效应中的光包括不可见光 (2)光电效应的实质：光现象电现象,二、光电效应方程的理解 1光电效应方程：EkhW0中，Ek为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值 2光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系(注意不是正比关系)，与光强无关,即时应用(即时突破，小试牛刀) 1已知能使某金属产生光电效应的极限频率为c，则() A当用频率为2c的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 B当用频率为2c的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hc C当照射光的频率大

14、于c时，若增大，则逸出功增大 D当照射光的频率大于c时，若增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍,解析：选AB.入射光的频率大于金属的极限频率，照射该金属时一定能发生光电效应，A正确；金属的逸出功为W0hc，又根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0，当入射光的频率为2c时，其光电子的最大初动能为Ek2hchchc，所以B正确；若当入射光的频率由2c增大一倍变为4c时，其光电子的最大初动能为Ek4hchc3hc，显然不是随着增大一倍，D错误；逸出功是金属本身对金属内电子的一种束缚本领的体现，与入射光的频率无关，C错误综上所述，A、B正确,三、爱因斯坦的光子说对光电效应的解释 1饱和光电流与光强关系

15、 光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子就多，因而饱和电流大所以，入射光频率一定时，饱和电流与光强成正比,特别提醒：解释光电效应时，应从以下两点进行把握： (1)入射光的频率决定着是否发生光电效应以及光电子的最大初动能； (2)入射光的强度决定着单位时间内逸出来的光电子数,即时应用(即时突破，小试牛刀) 2.如图1711所示电路的全部接线及元件均完好，用光照射光电管的K极板，发现电流计无电流通过，可能的原因是() AA、K间加的电压不够高 B电源正负极接反了 C照射光的频率不够高 D照射光的强度不够大,解析：选BC.如果照射光频率过低，不能发生光电效应；如果发生了光电效应现象，但是电

16、源正负极接反了，且电压高于遏止电压，电流表中也不会有电流B、C正确电压不够高，光强度不够大时，只能影响光电流大小，不会导致无电流通过，A、D错误,(2011年高考广东理综卷)光电效应实验中，下列表述正确的是() A光照时间越长光电流越大 B入射光足够强就可以有光电流 C遏止电压与入射光的频率有关 D入射光频率大于极限频率才能产生光电子,典例分析：,【精讲精析】在光电效应中，若照射光的频率小于极限频率，无论光照时间多长，光照强度多大，都无光电流，当照射光的频率大于极限频率时，立刻有光电子产生，时间间隔很小故A、B错误，D正确由eU0Ek，EkhW，可知U(hW)/e，即遏止电压与入射光频率有关

17、【答案】CD,变式训练1光电效应的实验结论是：对于某种金属() A无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应 B无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应 C超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小 D超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大,如图1712所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表示数不为零闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，发现当电压表示数小于0.6 V时，电流表示数仍不为零；当电压表示数大于或等于0.6 V时，电流表示数为零求此时光电子的最大初动能和该阴极材料的逸出功,图171

18、2,【精讲精析】设用光子能量为2.5 eV的光照射阴极时，光电子的最大初动能为Ek，阴极材料的逸出功为W0. 当反向电压达到U0.6 V以后，具有最大初动能的光电子也到达不了阳极，因此eUmv2/2； 由光电效应方程有：EkhW0. 由以上两式得：Ek0.6 eV，W01.9 eV. 所以光电子的最大初动能为0.6 eV，阴极材料的逸出功为1.9 eV.,【答案】0.6 eV1.9 eV 【思维总结】反向电压形成的电场对光电子做负功，使具有最大初动能的光电子速度变为零时，光电子尚未到达阳极，则无光电流产生，所以无电流的条件为eUEk.,变式训练2在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效

19、应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率的关系如图1713所示，由图象可求出() A该金属的极限频率和极限波长 B普朗克常量 C该金属的逸出功 D单位时间内逸出的光电子数,图1713,太阳光垂直射到地面上时，地面上1 m2接收的太阳光的功率为1.4 kW，其中可见光部分约占45%. (1)假设认为可见光的波长约为0.55 m，日地间距离R1.51011 m普朗克常量h6.61034 Js，估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少 (2)若已知地球的半径为6.4106 m，估算地球接收的太阳光的总功率,【思路点拨】设想一个以太阳为球心，以日、地距离为半径的大球面包围着太阳大球面接收的光子数

20、等于太阳辐射的全部光子数；地球背着阳光的半个球面没有接收太阳光，地球向阳的半个球面面积也不都与太阳光垂直接收太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆面面积,则所求可见光光子数： Nn4R2 1.75102143.14(1.51011)2 4.91044(个) (2)地球接收太阳光的总功率： P地Pr21.43.14(6.4106)2 kW1.81014 kW. 【答案】(1)4.91044个(2)1.81014 kW,【方法总结】解答有关光子的能量辐射问题时，要明确光的能量是所有光子的总能量即EN，同时还要求具备一定的空间想象力，通过分析物理情景，构思出解题所需要的模型球面与圆面

21、，建立以太阳为球心、日地距离为半径的大球面模型和以地球半径为半径的圆面面积模型是解决此类问题的关键,变式训练3人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收波长为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉普朗克常量为6.631034 Js，光速为3.0108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是() A2.31018 WB3.81019 W C7.01010 WD1.21018 W,B,1、入射光照到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变。下列说法正确的是：( ) A逸出的光电子的最大初动能减少； B单位时间内从金属表面逸出的光电子数目减少；

22、C从光照至金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将增加； D不发生光电效应。,B,2、红、橙、黄、绿四种单色光中，光子的能量最小的是（ ） A、红光 B、橙光 C、黄光 D、绿光 3、某单色光照射某金属时不能发生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是（ ） A、延长光照时间 B、增强光的强度 C、换用波长较短的光照射 D、换用频率较低的光照射,A,C,4、光电效应的四条规律中，经典的电磁理论不能解释的有（ ） A、入射光的频率必须大于被照射的金属的极限频率才能产生光电效应 B、光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增加 C、入射光照到金属上时，光电子的发出几乎是瞬

23、时的 D、当入射光频率大于金属的极限频率时，光电流强度与入射光强度成正比,ABC,5用绿光照射一光电管，能产生光电效应。欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，应（ ） A改用红光照射 B增大绿光的强度 C增大光电管上的加速电压 D改用紫光照射,D,6.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，,这时( ) A.锌板带正电，指针带负电 B.锌板带正电，指针带正电 C.锌板带负电，指针带正电 D.锌板带负电，指针带负电,B,2.一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电 效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效 应的是(

24、) A.延长光照时间 B.增大光束的强度 C.换用红光照射 D.换用紫光照射,D,3.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是( ) A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子 B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子 C.光子的能量跟它的频率成正比 D.光子客观并不存在，而是人为假设的,B,4. 能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长约为0.6m，则进入人眼的光子数至少为 个，恰能引起人眼的感觉.,3,5.关于光电效应下述说法中正确的是( ) A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大 B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能

25、产生光电效应 C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关 D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应,D,1、答案：在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。但是紫光不是最亮的，因为光的亮度有两个因素决定，一为光强，二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的条件下由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最敏感，因此黄绿色光应该最亮。,2、答（1）、入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；入射光频率低于截止频率时，无论光电子发射出来光强怎么增加，都不会有。 （2）、入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。,3、紫光能产生光电效应，红光不能。

26、因为不同的金属其逸出功不同，根据爱因斯坦光电效应方程，用紫光照射两种金属时，逸出金属表面的光电子的最大初动能不同，因此光电子的最大速度也不同。,5、解：将图中电源正负对调，当入射光频率分别为v1、v2时，测出遏止电压为U1、U2联立方程解得：h=U1-U2/v1-v2。 实验步骤： （1）将图中电源政府对换滑动变中阻器滑到最左边，用频率为v1的光照射，此时电流表中有电流，将滑动变阻器滑片向右移，同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动，记下伏特表的数U1 （2）重复上述操作记下频率为v1的电压表示数U2,（3）应用h=U1-U2/v1-v2计算h （4）多次测量球平均。散射 6、答：散射光

27、子的频率较小，由于光子与电子碰撞过程中动量和能量守恒可知，散射光子的能量变小。所以散射光子的频率变小。,七、康普顿效应 1光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象 2内容：康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长0相同的成分外，还有波长_0的成分，这个现象称为康普顿效应 3意义：康普顿效应深入地揭示了光的 _性的一面，表明光子除了具有能量之外还具有_,大于,粒子,动量,普朗克常量,光的波长,1.光的散射,光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射,2.康普顿效应,1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实

28、验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长 和散射物质都无关。,（三）。康普顿效应,康普顿正在测晶体对X 射线的散射,按经典电磁理论： 如果入射X光是某 种波长的电磁波， 散射光的波长是 不会改变的！,康普顿散射曲线的特点：,1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长 。,2.新波长 随散射角的增大而增大。,散射中出现 0 的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,称为电子的Compton波长,只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角 有关，而与散射物质 种类及入射的X射线的波长0 无关，,c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）,遇到的困难,3.经典电磁理论在解释康普顿效应时,2. 无法解释波长改变和散射角的关系。,射光频率应等于入射光频率。,其频率等于入射光频率，所以它所发射的散,过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，,1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通,4.光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的,2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整