第四章 原子结构与波粒二象性
2 光电效应
第1课时 光电效应
1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律.
2.知道光电效应与电磁理论的矛盾.
3.理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题．
一、光电效应的实验规律
1．光电效应：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．
2．光电子：光电效应中发射出来的电子．
3．光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于等于这个截止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应．
(2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大．
(3)大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比．
(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9 s.
4．光电效应与经典电磁理论的矛盾
按光的电磁理论，应有：
(1)不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电效应．
(2)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关．
(3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10－9 s.
显然这三条与光电效应的实验规律相矛盾．
二、光电效应经典解释中的疑难
1．逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的最小值，用W0表示．不同种类的金属，其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)．
2．光电效应经典解释
(1)不应存在截止频率．
(2)遏止电压Uc应该与光的强弱有关．
(3)电子获得逸出表面所需的能量需要的时间远远大于实验中产生光电流的时间．
3．光电效应实验相关概念的理解
(1)光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子．
(2)饱和电流
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，这个饱和值是饱和电流，在一定条件下，饱和电流与所加电压大小无关，只与入射光的强度有关．入射光越强，饱和电流越大．即：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．
(3)遏止电压 截止频率 逸出功
①遏止电压：使光电流减小到零的反向电压．用符号Uc表示．
计算方法：－eUc＝0－Ek
遏止电压与入射光的频率有关．入射光的频率不变，遏止电压不变，入射光的频率改变，遏止电压改变．这表明光电子的能量只与入射光的频率有关．
②截止频率：能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫作该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的截止频率．
③逸出功：电子从金属中挣脱出来，要克服金属表面层的一种力做功，电子脱离某种金属所需做功的最小值叫作这种金属的逸出功．不同金属的逸出功不同．
三、爱因斯坦的光电效应理论
1．光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，其中h为普朗克常量．这些能量子后来称为光子．
2．爱因斯坦光电效应方程
(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，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Ek.
(3)Uc与ν、W0的关系
①表达式：Uc＝ν－.
②图像：Uc－ν图像是一条斜率为的直线．
3．光子说对光电效应的解释
(1)饱和电流与光照强度的关系：同种频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和电流越大．
(2)存在截止频率和遏止电压：
①由爱因斯坦光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关．
②若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．
一、单选题
1．在研究光电效应实验时，如果绿光刚好可以发生光电效应，那么换成黄光时（ ）
A．一定能发生光电效应 B．只要时间足够长就会发生光电效应
C．能否发生光电效应取决于照射黄光的强度 D．不能发生光电效应
2．对于光电效应及其规律，下列说法正确的是
A．光电效应现象说明了光是一种波
B．光电效应实验中打出来的光具有粒子性
C．当照射光的波长小于金属的极限波长时，会发生光电效应
D．照射光的强度越强，发生光电效应需要的时间越短
3．下列说法错误的是
A．爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说
B．用某种频率的光不能使某金属发生光电效应，即使增大入射光光照强度也不能发生光电效应
C．光电效应揭示了光具有波动性
D．用一束绿光照射某金属，能发生光电效应，若改用紫光照射该金属，也一定能发生光电效应
4．下列关于光电效应现象的表述中，错误的表述是（ ）
A．光电效应是指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
B．光电效应存在截止频率
C．照射光光强太弱时不可能发生光电效应
D．光电效应几乎是瞬时发生的
5．19世纪初，爱因斯坦提出光子理论，使得光电效应现象得以完美解释，关于光电效应下列说法正确的是
A．在光电效应实验中，入射光足够强就可以发生光电效应
B．在光电效应实验中，入射光照射时间足够长就可以发生光电效应
C．若某金属的逸出功为，该金属的截止频率为
D．保持入射光强度不变，增大入射光频率，金属在单位时间内逸出的光电子数将增大
6．关于光电效应有如下几种陈述，其中正确的是（ ）
A．爱因斯坦提出“光子说"并成功解释了光电效应现象
B．入射光的频率必须小于极限频率，才能产生光电效应
C．光电效应说明光具有波动性
D．发生光电效应时，若入射光频率增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
二、填空题
7．（1）如图用弧光灯照射锌板做光电效应实验，有光电子从锌板逸出，验电器带_____电．
（2）以下关于该实验的说法中正确的是_____
A．实验中，若用γ射线照射锌板，不能发生光电效应
B．实验中，若用可见光照射锌板，也能发生光电效应
C．发生光电效应时，入射光越强，单位时间产生的光电子数越多
D．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大
8．分别用频率为和的两束光照射相同的两块金属板，前者能产生光电效应，后者不能产生光电效应，这说明频率为的光波的波长较_____（填“大”或“小”），若用它分别照射两块不同的金属板，甲板能产生光电效应，乙板不能产生光电效应，这说明它们相比，极限频率较大的是_____板（填“甲”或“乙”）。
参考答案
1．D
【详解】
AD．因为绿光刚好可以发生光电效应，说明该金属的极限频率约等于绿光的频率。黄光的频率比绿光低，即小于金属的极限频率，因此无法产生光电效应，故A错误，D正确；
BC．光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，能否发生光电效应，与入射光的强度无关，与光照时间也无关，故BC错误。
故选D。
2．C
【详解】
A．光电效应现象说明光是一种粒子，故A错误；
B．光电效应实验中打出的是光电子，而不是光，故B错误；
C．当照射光的频率大于等于金属的极限频率时，即照射光的波长小于等于金属的极限波长时，会发生光电效应，故C正确；
D．光电效应的发生基本不需要时间，与照射光的强度无关，故D错误。
故选C。
3．C
【解析】
【详解】
A．根据物理学史可知，爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说．故A正确，不符合题意；
B．根据光电效应发生的条件可知，光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，能否发生光电效应，与入射光的强度无关．故B正确，不符合题意；
C．光电效应揭示了光具有粒子性．故C错误，符合题意；
D．用一束绿光照射某金属，能发生光电效应，若换成紫光来照射该金属，由于紫色光的频率大于绿色光的频率，所以也一定能发生光电效应．故D正确，不符合题意．
故选C.
【点睛】
解决本题的关键掌握光电效应的条件，以及掌握光电效应发生的条件，理解光电效应方程，并能灵活运用．
4．C
【详解】
A．光电效应是指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，选项A正确，不符合题意；
B．光电效应存在截止频率，当入射光的频率大于截止频率时才能发生光电效应，选项B正确，不符合题意；
C．能否发生光电效应与入射光的强度无关，只与光的频率有光，选项C错误，符合题意；
D．光电效应几乎是瞬时发生的，不需要时间积累，选项D正确，不符合题意。
故选C。
5．C
【解析】
【详解】
AB.当入射光的频率大于极限频率时，才会发生光电效应，与入射光强弱以及光照时间均无关，故AB错误；
C.某金属的逸出功为W0，根据W0=hv0，则有该金属的截止频率为，故C正确；
D.保持入射光强度不变，增大入射光频率，那么单位时间射到金属表面的光子数的数目减小，则在单位时间内逸出的光电子数将减小，故D错误；
6．A
【详解】
A、爱因斯坦用光子说成功解释了光电效应，故A正确；
B、发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，与入射光的强度与照射的时间无关，故B错误；
C、光电效应可以用光子说成功解释，说明光具有粒子性，故C错误；
D．根据光电效应方程EKm=hv-W0知，最大初动能与光子频率成一次函数关系，随照射光的频率增大而增大，不是成正比关系．故D错误．
故选A．
7．正 C
【解析】
（1）如图用弧光灯照射锌板做光电效应实验，有光电子从锌板逸出，锌板带正电，故验电器带正电．
（2）γ射线的频率高于紫外线，则实验中，若用γ射线照射锌板，也能发生光电效应，选项A错误；可见光的频率小于紫外线的频率，故实验中若用可见光照射锌板，不能发生光电效应，选项B错误；发生光电效应时，入射光越强，单位时间产生的光电子数越多，选项C正确；发生光电效应时，光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的光强无关，选项D错误；故选C.
8．小 乙
【详解】
[1]分别用频率为和的两束光照射相同的两块金属板，前者能产生光电效应，后者不能产生光电效应，这说明频率为的光波的频率较大，根据 可知，波长较小；
[2]若用它分别照射两块不同的金属板，甲板能产生光电效应，乙板不能产生光电效应，根据 这说明它们相比，极限频率较大的是乙板。第四章 原子结构与波粒二象性
2 光电效应
第2课时 康普顿效应 光的波粒二象性
1.了解康普顿效应及其意义.
2.了解光的波粒二象性．
一、康普顿效应和光子的动量
1．康普顿效应：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λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．
2．康普顿效应的解释
假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光子说，一个光子不仅具有能量ε＝hν，而且还有动量．如图1所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，光子把部分动量转移给了电子，动量由减小为，因此p减小，波长增大．
图1
3．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量．康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．
4．光子的动量
(1)表达式：p＝.
(2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小．因此，有些光子散射后波长变大．
二、光的波粒二象性
1．光的波动性
实验基础：光的干涉和衍射．
2．光的粒子性
(1)实验基础：光电效应、康普顿效应．
(2)表现：①当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质；②少量或个别光子容易显示出光的粒子性．
(3)说明：①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；②光子不同于宏观观念的粒子．
3．光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性．
一、单选题
1．关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是（ ）
A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道
C．宏观物体的运动有特定的轨道，所以宏观物体不具有波粒二象性
D．康普顿效应说明了光具有粒子性
2．关于波粒二象性，下列说法正确的是（ ）
A．有的光只是粒子，有的光只是波
B．康普顿效应表明光是粒子，并具有动量
C．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
D．德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越长
3．下面能够证明光具有波粒二象性的现象是（ ）
A．光电效应和康普顿效应 B．光的干涉和康普顿效应
C．光的衍射和光的干涉 D．光的散射和光电效应
4．波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的是（ ）
A．光电效应和康普顿效应都揭示了光的波动性
B．热中子束射到晶体上产生的衍射图样说明中子具有粒子性
C．光的波粒二象性表明一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子
D．速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显
二、多选题
5．能说明光具有波粒二象性的实验是（ ）
A．光的干涉和衍射
B．光的干涉和光电效应
C．光的衍射和康普顿效应
D．光电效应和康普顿效应
6．关于物质的波粒二象性，下列说法正确的是
A．光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显
B．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
C．光电效应现象揭示了光的粒子性
D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
三、填空题
7．用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图A、B、C所示的图像，该实验现象说明：个别光子的行为往往显示出__________，大量光子的行为往往显示出__________ （选填“粒子性”、“波动性”、或“波粒二象性”） 。
8．在验证光的波粒二象性的实验中，采用很微弱的光流，使光子一个一个地通过狭缝．如曝光时间不太长，底片上出现___________；如时间足够长，底片上将会显示___________．（无规则分布的点子，规则的衍射条纹）
参考答案
1．C
【解析】
【详解】
AC．德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出物质波的概念，认为一切运动的物体都具有波粒二象性，故A正确，C错误；
B．物质具有波动性，运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道，故B正确；
D．康普顿效应说明了光具有粒子性，故D正确．
2．B
【详解】
A．光既有波动性，又具有微粒性，并不是有的光只是粒子，有的光只是波，选项A错误；
B．康普顿效应表明光是粒子，并具有动量，选项B正确；
C．德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出物质波的概念，认为一切运动的物体都具有波粒二象性，选项C错误；
D．根据德布罗意公式可知，微观粒子的动量越大，其对应的波长就越短，选项D错误。
故选B。
3．B
【详解】
光的干涉和衍射是波特有的现象，不能说明光具有粒子性，而光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。只有选项B，既说明光具有波动性，又说明光具有粒子性，其他选项只说明光具有粒子性，或只说明光具有波动性，故B正确，ACD错误。
故选B。
4．D
【详解】
A． 光电效应和康普顿效应都揭示了光的粒子性，故A错误；
B． 热中子束射到晶体上产生的衍射图样说明中子具有波动性，衍射是波的特征，故B错误；
C． 光都具有波粒二象性，光同时具有波和粒子的特性，并非有的光是波，有的光是粒子，故C错误；
D． 质子和电子都有波动性，由，可知，相同速度的电子和质子，由于质子的质量较大，所以其物质波波长较短，所以电子的波动性更为明显。故D正确。
故选D。
5．BC
【详解】
光的干涉和光的衍射只说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应只说明光具有粒子性。
故选BC。
6．ABC
【解析】
据可知光的波长越短则频率越大，据可知光能量越大，A正确；波粒二象性是微观世界特有的规律，一切运动的微粒都具有波粒二象性，B正确；光电效应现象说明光具有粒子性，C正确；由德布罗意理论知，宏观物体的德布罗意波的波长太小，实际很难观察到波动性，但仍具有波粒二象性，D错误．故选ABC
7．粒子性 波动性
【详解】
[1][2]．少量的光子所能到达的位置不能确定，即每次只照亮一个位置，这表明光是一份一份传播的，说明光具有粒子性，单个光子所到达哪个位置是个概率问题；只有当大量光子却表现出波动性，即光子到达哪个位置是一个概率问题，故此实验表明了光是一种概率波．
8．无规则分布的点子 规则的衍射条纹
【详解】
使光子一个一个地通过单缝，根据爱因斯坦的“光子说”可知，单个光子表现为粒子性，而大量光子表现为波动性，故曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点子；如果时间足够长，底片上中央到达的机会最多，其它地方机会较少，因此会出现衍射图样．
试卷第1页，总3页
