4.2 光电效应方程及其意义 课件（27张PPT）

(共27张PPT)
第四章 波粒二象性
粤教版 选择性必修三
第二节 光电效应方程及其意义
知识回顾
一、光电效应：金属在光的照射下发射电子的现象称为
光电效应。
二、光电效应的实验规律：
光电效应具有瞬时性；
存在截止频率；
存在饱和电流；
存在遏止电压。
三、经典电磁理论解释的困难
疑难之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关；
疑难之二：存在截止频率；
疑难之三：具有瞬时性。
Part 01
能量子假说
黑体辐射：对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，而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。
黑体辐射实验：随着温度的升高
各种波长的辐射强度都有增加；
辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
0 1 2 3 4
1700K
1500K
1300K
1100K
辐射强度
黑体辐射
实验
瑞利线
维恩线
维恩的半经验公式：
短波符合，长波不符合。
2. 瑞利—金斯公式波符合，短波荒唐。
——紫外灾难
为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试。
经典的热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释
黑体辐射
一、能量子假说
2．物体热辐射所发出的电磁波的能量是____________，只能是hν的整数倍，hν被称为一个____________，其中ν是辐射频率，h是一个常量，被称为__________________，实验测得h＝6.63×10－34 J·s，这种物理量分立取值的现象称为____________现象．
不连续的
能量子
普朗克常量
量子化
1. 德国物理学家普朗克在对黑体辐射问题进行研究中，首次提出了一个与人类直接经验相违背的大胆假说——能量子假说。
当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的
能量子（energy quantum）理解
宏观世界中：
能量可以是任意值，可以连续变化。
例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。
微观世界中：
微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（能量量子）
例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。
经典
量子
连续
分立
光本身就是一个个不可分割的能量子，后来被叫做光子，其能量为：
爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：
经典电磁理论解释的困难：
疑难之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关；
疑难之二：存在截止频率；
疑难之三：具有瞬时性。
二、光子假说
1．当光与物质相互作用时，光的能量不是连续的，而是一份一份的光量子，这些光量子后来被称为______．一个光子的能量ε＝______，式中h是普朗克常量，ν是光的频率．
光子
hν
爱因斯坦的光量子假说
光和原子电子一样也具有粒子性，每个光量子的能量也是E=hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p=E/c=h/λ
2．同样频率的光，光的强弱反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少
Part 02
光子假说对光电效应的解释
知识回顾
光电效应的实验规律
光电效应实验原理示意图
存在截止频率；
光电效应具有瞬时性；
存在饱和电流；
存在遏止电压，与入射光频率有关,与入射光的强弱无关
光子假说对光电效应的解释
存在截止频率；
按照光子假说，在光电效应中，
金属的电子吸收一个光子获得的能量为hν，
这些能量一部分用来克服金属的束缚，剩余的部分转化为电子的动能
光电效应方程：hν =W0+Ek
W0表示电子脱离某种金属所做的功的最小值，称为金属的逸出功
Ek表示电子在光电效应中获得的动能
（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）
光子假说对光电效应的解释
存在截止频率；
光电效应方程：hν =W0+Ek
入射光子的能量恰好等于金属的逸出功
能发生光电效应：
光子假说对光电效应的解释
光电效应具有瞬时性；
一定会有电子摆脱束缚逸出
同样频率的光，光的强弱反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少
单位时间内逸出电子数的多少
不需要积累能量的过程
瞬时性
电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。
光子假说对光电效应的解释
存在饱和电流；
开始时，正向电压越大，电子加速度越大，单位时间内到达阳极电子数增多
(1)正向电压增加到一定值时，光电流饱和；
(2)频率一定，入射光越强，饱和电流越大。
但光强一定，单位时间内射到单位面积的光子数一定，逸出电子数一定，单位时间内到达阳极电子数一定
光强越强，单位时间内射到单位面积的光子数越多，逸出电子数越多，
光子假说对光电效应的解释
存在饱和电流；
(3)对于同种材料，同一光强下，频率越高，饱和电流越小
光强一定，光的总能量一定
频率越高，单位时间内射到单位面积的光子数越少，逸出电子数越少
光子假说对光电效应的解释
存在遏止电压；
遏止电压只与频率有关，与光强无关
光电效应方程：hν =W0+Ek
光电子的初动能只和入射光的频率、金属的逸出功有关，而和发光强度无关。
而遏止电压是反映光电子初动能大小的物理量，因此遏止电压由入射光频率决定，与光强无关
如何测量光电管的截止频率？
常见图像
Ek = –W0
① 斜率k=h（普朗克常数）
② 横截距νc（截止频率）
③ 纵截距为－W0（逸出功的负值）
横截距Uc（遏止电压）
饱和电流
Part 03
康普顿效应
康普顿效应
康普顿效应
美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现一部分散射出来的X射线波长变长，这个现象称为康普顿效应
X射线
电子
反冲电子
散射射线
课堂小结
一、光子假说(爱因斯坦)
二、对光电效应的实验规律的解释
光电效应具有瞬时性；
存在截止频率；
存在饱和电流；
存在遏止电压。
课堂练习
铷
无
除了金属钨外，其余四种
1．（多选）现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是（ ）
入射光的频率变高，饱和光电流变大
入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大
保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
BC
课堂练习
2．（多选）有关光电效应实验，下列说法正确的是（ ）
在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大
入射光越强，光电子的最大初动能越大，因而遏止电压越大
不管入射光的频率如何，只要光足够强，就会有光电流产生
当入射光频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，都会瞬间产生光电流
AD
课堂练习
3. (多选) 如图所示是利用光电管研究光电效应的实验原理图，用一定强度的某频率的可见光照射光电管的阴极K，电流表中有电流通过，则( )
若将滑动变阻器的滑动触头置于b 端，电流表中一定有电流通过
若改用紫外线照射阴极K，电流表
中一定有电流通过
若将电源反接，光电管中可能有
电流通过
若减小可见光的光照强度，电流表
中一定无电流通过
ABC
课堂练习
4．（多选）光电效应现象的规律中，经典波动理论不能解释的有( ）
入射光的频率必须大于被照金属的截止频率时才产生光电效应
光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而 增大
入射光照射到金属表面上时，光电子的发射几乎是瞬时的
当入射光频率大于截止频率时，光电子数目与入射光的强度成正比
ABC
课堂练习