4.2 第1课时　光电效应 课件（22张PPT）

(共22张PPT)
第1课时　光电效应
第四章　原子结构和波粒二象性
学习目标
1．知道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾。
2．知道光子说及其对光电效应的解释。
3．掌握爱因斯坦光电效应方程并会用它来解决简单问题。
光的干涉、衍射现象说明了光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象---光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。
一、一.光电效应的实验规律
演示实验：
1.光电效应
定义：当光线（包括不可见光）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，如图所示。逸出的电子称为光电子。
光电子定向移动形成的电流叫光电流。
光电效应本质：金属原子最外层电子在做无规则热运动，温度不高时，动能很小，电子受金属表层存在的一种力阻碍而不能大量逸出金属表面。当有光照射时，电子吸收光子的能量而动能变大，从而克服阻力从金属表面挣脱出来。
2.光电效应实验规律
(1) 存在饱和电流
光照不变，增大UAK，电流表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。
说明：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。
实验表明：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
(2)存在截止频率和遏止电压
如果施加反向电压，也就是阴极K接电源正极、阳极A接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。
实验表明：对于一定颜色(频率)的光， 无论光的强弱如何，遏止电压是一样的；光的频率改变，遏止电压也会改变。
(3)光电效应具有瞬时性
思考：如果加了遏止电压后，再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？
实验结果：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极限频率，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─9 秒 ( 这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”)。
光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。
勒纳德等人通过实验得出以下结论：
①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；
② 当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；
③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；
④入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒.
二.光电效应解释中的疑难
思考：人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
说明金属表面存在一种力，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。
1．光的电磁理论只能部分地解释光电效应
(1) 使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。用W0表示，不同的金属的逸出功不同。见下表。
(2) 当光照射金属表面时，电子吸收能量。若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功，电子就从表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。这些结论与实验相符。
几种金属的逸出功和极限频率 金属 钨 钙 钠 钾 铷
vc/1014Hz 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
2．结论与实验结果相矛盾的疑难处
(1)按照光的电磁理论，还应得出如下结论：
①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc应该与光的强弱有关；
②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率；
③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10-9s。
(2)对于遏止电压Uc与光的频率v的关系，经典电磁理论更是无法解释。
三、爱因斯坦的光电效应理论
光子说：光就是由一份一份不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hv，h为普朗克常量，这些能量子称为光子。
一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：
hν = Ek + W0 或 Ek = hν - W0
光子
逸出功
最大初动能
光子说对光电效应的解释
(1)只有hν>W0，才有光子逸出。
(2)光子的最大初动能与入射光频率有关，与光的强度无关。这就解释了遏止电压和光强无关。
(3)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要累积能量的时间，光电流几乎是瞬间产生的。
(4)对于同种颜色的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
hνc ＞ W0
νc =
对光电效应方程＝hν－的理解
(1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值。
(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程：能量为E＝hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。
(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件：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＞h(W0)＝νc，而νc＝h(W0)恰好是光电效应的截止频率。
(4)Ek —ν 曲线：如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线。这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。
对某确定的金属，由光子的初动能和光电效应方程
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
跟踪练习
1. 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.用频率为ν的光照射在某金属表面时产生了光电子，当光电子垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动时，其最大半径为R，若以W表示逸出功，m、e表示电子的质量和电荷量，h表示普朗克常量，则电子的最大初动能是(　　)
A.hν+W B. C.hν-W D.
CD
3.如图所示为研究光电效应现象的实验原理图。已知光电管阴极材料的极限频率为ν0，现用频率为ν(ν>ν0)的单色光照射光电管，发现滑动变阻器的滑片P处于图示位置时，灵敏电流计的示数为零，下列说法正确的是(　　)
A.灵敏电流计的示数为零，是因为没有发生光电效应
B.若不断向左移动滑片P，则灵敏电流计一定会有示数
C.若不断向右移动滑片P，则灵敏电流计一定会有示数
D.仅不断增大入射光的光照强度，灵敏电流计一定会有示数
C