第1节光电效应

新课标高中物理选修3－5第五章波和粒子第1节光电效应赫兹

随着赫兹证实了电磁波的存在之后，当时又出现了一个无法用电磁理论解释的现象光电效应用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。。一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电光电效应1定义：在光的照射下，物体表面发出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫光电子。猜想:具备哪些条件才可能发发生光电效应规律,要发生与哪些因素有关?

一、光电效应1）与光的强度有关吗?2）与光的颜色即与光的频率有关吗？3）与光照射时间有关吗？4）与被照射的材料有关吗？1、产生光电效应的条件2、光电子最大初动能4、光电流强度的决定3、光电效应产生的时间二、光电效应规律如图所示装置，不同单色光照射不同金属，要产生光电效应，必须有一个最低频率。如锌板用紫外线照射，能产生光电效应，用黄光照射则不能产生光电效应。实验结论

任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。1、产生光电效应的条件(1)最大初动能的概念(2)最大初动能的测定(3)最大初动能的结论2、光电子最大初动能

光电效应中从金属出来的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为最大初动能。(1)最大初动能的概念VV(2)最大初动能的测定实验电路如图甲（其中单色光的入口C用石英窗），用来测定光电子的最大初动能。当图中电流表G读数为零时，伏特表V中的读数就是图乙中的U。++++----U乙甲设光电子的最大初动能为1/2mv2，若光电子置于左图匀强场中，则光电子作匀减速直线运动。m,e

在电子运动的位移上，设电势差为U，电子电量为e，当eU=1/2mv2,电场对光电子做负功，光电子的动能将变为零,所以eU就代表光电子的最大初动能

（3）最大初动能的结论光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光的频率增大而增大。精确的实验表明:甲图中发射光电子的阴极K，它相对图中A极电势可正可负。现将图中电源正负极反接（正向电压）移动P适当调整AK间初始电压，使光电子一旦飞出，电流表G指针就偏转，以便了解入射光照射多长时间才产生光电效应。实验结果即使入射光强度非常弱，只要入射光频率大于极限频率，电流表指针也几乎随着入射光照射立即偏转，精确实验表明，光电子发射至光电流产最多相差10-9秒。甲3、光电效应产生的时间4、光电流强度的决定按图装置，移动P使伏特表有一定读数，用一定强度的光照射K，电流表中有一定读数，这时改变K、A之间的电压，使其增大，电流表显示光电流在增大。但是，当K、A间电压足够大后，电流表读数不再改变，这就是饱和光电流。表明光电效应中产生的光电子已能全部到达A极。所以升高电压电流也不会再增大。此时若再增大照射光强度，光电流会随之增大。当入射光的频率大于极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比。多次实验结论是:二、

光电效应规律1）光电效应的发生几乎是瞬时的，时间不超过10－9s.2）任何金属都有一个能产生光电效应的最低照射光频率，叫做极限频率3）光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，而与入射光强度无关。4）光电流强度与入射光的强度成正比．得出结论:光电效应的发生与否,与光的强弱无关,与照射时间的长短无关,与光的频率、金属材料的种类有关。思考为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？

回想一下光的波动理论是怎样描述光的能量的呢？三、波动理论对光电效应的解释的困难：波动理论光电效应实验结果困难1光能由振幅决定，与光频率无关，只要光强足够大（不论入射光的频率多），总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应如果ν﹤ν0，无论光强有多大，都不能发生光电效应，光能应由光频率来决定困难2光强越大，电子可获得更多能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也应越大。即出射电子的最大初动能应该由光强来决定光电子的最大初动能、遏止电压都与光强无关，而与频率有关困难3光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长当入射光照射到光电管阴极时，无论光强怎样，几乎瞬间就产生了光电子1、波动理论无法解释极限频率．2、光电子最大初动能的大小应与光强有关，与频率无关．波动理论在解释光电效应时的矛盾3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生．光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子学说．普朗克爱因斯坦四、量子假说光子：普朗克的量子假说：在微观世界里，物理量的取值很多时候是不连续的，只能取一些分立的值，这称为量子化现象。爱因斯坦的光子假说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，光子的能量E跟光的频率ν成正比。光子的能量E＝hν其中h是一个常量，叫普朗克常量：

h=6.63×10－34J.s五、光电方程光子说对光电效应的解释：2.在光电效应中，入射光的能量等于出射的光电子的最大初动能与逸出功之和：即：或这叫爱因斯坦光电效应方程，简称光电方程1.使金属表面的电子能挣脱原子核的引力而逸出成为光电子所需做的功叫逸出功（4）.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率：（1）.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。

3.爱因斯坦对光电效应的解释：（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。（3）.从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系()金属铯钠锌银铂波长（μm）0.66000.50000.37200.26000.1962频率（Hz）4.545×10146.000×10148.065×10141.153×10141.529×1014几种金属的逸出功铯钙镁铍钛逸出功W/eV1.92.73.73.94.1部分金属的极限频率和波长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。放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。1.光控继电器可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108

倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2.光电倍增管六.光电效应在近代技术中的应用光电管1、___________________________的现象称为光电效应，发射出来的电子叫____________。物体在光的照射下发射电子光电子巩固练习：2、光电管的作用是把_______信号转变为______信号。由于光电管发生光电效应而在电路中形成的电流叫_________。光电光电流3、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，验电器指针张开一个角度，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B5、已知铯的极限频率为4.545×1014Hz，钠为6.0×1014Hz，银为1.153×1015Hz，铂为1.529×1015Hz，当用波长为375nm的光照射它们时，可发生光电效应的是__________________。（光速c=3.0×108m/s，光速与波长、频率的关系：c=λf）铯和钠4、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（）A.增大入射光的强度B.增加光的照射时间C.改用黄光照射D.改用紫光照射D6、某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出，若光的频率不变而强度减弱，那么下述结论中正确的是A．光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出B．逸出的电子数一定减少C．逸出的电子数有可能增加D．逸出的电子数有可能不变B7、下列关于光电效应的说法正确的是（

）

A．光电子的动能随照射光频率的增大而增大

B．光电子的初速度与照射光的频率成正比

C．光电子的最大初动能与照射光的频率成正比

D．光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大8、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DD9、已知某单色光的波长为λ，在真空中的传播速度为c，普朗克常量为h，则该电磁波辐射的能量子的值为()A．hc/λB．hλ/cC．h/λD．hcλ10、某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，真空中光速为c，普朗克常量为h，则该激光器每秒发射的光量子数为()A.λP/hcB.hP/λcC.λcP/hD.hλP/cAA11、三种不同的入射光线甲、乙、丙分别照射在三种不同的金属a、b、c上，均恰能使金属中逸出光电子。已知三种光线的波长λ甲>λ乙>λ丙，则：A、用三种入射光照射金属a，均可发生光电效应B、用三种入射光照射金属c，均可发生光电效应C、用入射光甲和乙同时照射金属c，可能发生光电效应D、用入射光甲照射金属b，可能发生光电效应A

12、用波长为λ的单色光照射某金属逸出光电子的最大初动能为用波长为2λ的单色光照射该金属逸出电子的最大初动能的n倍,则能使该金属发生光电效应的最大波长是多少?13、波长为λ＝0.17μm的紫外线照射至金属筒上能使其发射光电子，光电子在磁感强度为B的匀强磁场中，做最大半径为r的匀速圆周运动时，已知r·B=5.6×10-6T·m，光电子质量m=9.1×10-31Kg，电量e=1.6×10-19C，求：(1)每个光电子的最大初动能；(2)金属筒的逸出功．(1)4.41×10-19J(2)7.3×10-19J14.可见光子的能量有多大？求波长是0.4微米的可见光子和波长为10-7微米的γ射线光子的能量?(用电子伏特作为能量单位)15.使锌产生光电效应的最长波长是0.3720微米，锌的逸出功是多少？

第2节康普顿效应康普顿(1892-1962)--美国物理学家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

1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，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。一.康普顿效应2.康普顿效应3.康普顿散射的实验装置与规律：晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j0散射波长

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！康普顿正在测晶体对X射线的散射4.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难（2）.无法解释波长改变和散射角的关系。（1）.根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。二、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结果，具体解释如下：2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长（根据E=hν)。3.因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。三.康普顿散射实验的意义（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”

的假设；（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。1925—1926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，四、吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了重要贡献。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。（1897-1977）吴有训

有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：光是波还是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”如果是你，你会如何回答？那么光的本性到底是什么？五、光的本性密立根光电效应实验1.光学发展史1672牛顿微粒说T/年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说波动性粒子性1801托马斯·杨双缝干涉实验1814菲涅耳衍射实验赫兹电磁波实验1888赫兹发现光电效应19161922康普顿效应粒子性波动性具有能量具有频率具有动量h2.光的波粒二象性具有波长光既具有粒子性，又具有波动性。

(h架起了粒子性与波动性的桥梁)

1926年德国物理学家波恩提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。光的强弱对应于光子的数目，明纹处达到的光子数多，明纹表示光子达到的概率大。暗纹反之。3.德布罗意波的统计解释7个电子100个电子300020000一个一个电子依次入射双缝的衍射实验：70000体现了粒子性体现了波动性粒子出现的概率高粒子出现的概率低虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但在屏上各处明暗不同可以推知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗处的概率小。则光子在空间出现的概率可以通过衍射、干涉的明暗条纹这样的波动规律确定.通过上述实验可知：

----------光是一种概率波。频率低、波长长，波动性较明显频率高、