4.2 光电效应 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修3(共23张PPT)

(共23张PPT)
第2节 光电效应
第四章 原子结构和波粒二象性
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。
锌板在照射下失去电子而带正电
当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。
逸出的电子称为光电子。
1.通过实验,了解光电效应现象及其实验规律。
2.了解爱因斯坦光电效应理论及其意义,能用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应现象。
3.了解康普顿效应及其意义。
4.能根据实验结论说明光的波粒二象性。
知识点一：光电效应的实验规律
当入射光频率减小到某一数值 c 时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。此时的光的频率 c即为截止频率！
1.截止频率
不同金属的截止频率不同。
截止频率与金属自身的性质有关。
理解：
(1)金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。
(2)入射光频率低于截止频率时，不管光照多强，金属都不会发生光电效应！
光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。
2.饱和电流
理解：
频率不变，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。
当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称截止电压。
3.截止电压
同一种金属，截止电压只与光的频率有关。
光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的强弱无关。
理解：
光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。
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。
4.光电效应具有瞬时性
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”）。
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。
总结：
1.利用光电管研究光电效应实验如图所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则(　　)
A.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过
B.用红光照射,电流表一定无电流通过
C.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的
滑动触头移到A端时,电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时,电流表示数可能不变
练一练
D
知识点二：光电效应经典解释中的疑难
逸出功W0：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。
几种金属的截止频率和逸出功
光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
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。
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。
无法用经典的波动理论来解释光电效应。
知识点三：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。这些能量子后来被称为光子。
2.爱因斯坦的光电效应方程
或
——光电子最大初动能
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：
——金属的逸出功
① Ek = hν－W0 表明：只有当 hν > W0 时，光电子才可以从金属中逸出， νc = W0 /h 就是金属的截止频率。
3. 对光电效应的解释
② Ek = hν－W0 表明：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与光的强弱无关，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，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎是 瞬时产生的。
④ 对于同频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
4. 对光电效应方程的检验
根据光电效应方程可得：
对于确定的金属，其逸出功是确定的，Uc与光的频率v之间是线性关系。1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的实验技术测量光电效应中几个重要的物理量，1916年，他的实验结果完全肯定了爱因斯坦光电效应方程。
【爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年诺贝尔物理学奖】
1.如图所示的装置用来研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA,改变滑动变阻器触头c的位置,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,则(　　)
A.光电管阴极的逸出功为1.8 eV
B.开关S断开后,没有电流流过电流表G
C.改用光子能量为1.5 eV的光照射,
电流表G也有电流,但电流较小
D.光电子的最大初动能为0.7 eV
练一练
BD
2.如图所示，图线A、B分别是金属A和金属B的遏止电压Uc和入射光频率ν的Uc——ν图像，则由图可知(　 　)
A．金属A的逸出功大于金属B的逸出功
B．金属A的截止频率小于金属B的截止频率
C．图线的斜率为普朗克常量
D．如果用频率ν=5.5×1014Hz的入射光照射两种金属，
从金属A逸出的光电子的最大初动能较大
BD
知识点四：康普顿效应和光子的动量
1.光的散射
光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。
2.康普顿效应
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。这种波长改变的散射称为康普顿效应。
经典理论无法解释康普顿效应。
经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。
X-ray
3.康普顿效应的光量子理论解释
（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。
（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。
（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。
4.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。
知识点五：光的波粒二象性
光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。
光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。
光子能量：
光子动量：
关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。
粒子性
波动性
1.美国物理学家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。关于康普顿效应,以下说法正确的是(　　)
A.康普顿效应说明光子具有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加
练一练
AC
光电效应的实验规律
爱因斯坦的光电效应理论
康普顿效应和光子的动量
光的波粒二象性——量子电动力学
光电效应经典解释中的疑难
1887年，赫兹在发现了光电效应现象
①存在截止频率； ②存在饱和电流；
③存在遏止电压； ④具有瞬时性。
①无法解释存在截止频率；
②无法解释遏止电压与光强无关；
③无法解释光电效应的瞬时性。
①光子的能量： =hv
②光电效应方程：Ek = hν－W0
③对光电效应是按规律的解释（略）
光
电
效
应