4.2光电效应 课件 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册(共30张PPT)

(共30张PPT)
4.2光电效应
核心素养目标
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
问题
此时会看到验电器的薄片张角逐渐减小，这说明紫外光照射会使电子从锌板表面逸出。
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。
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，这个现象叫光电效应，这个电子称为光电子.
1）定义：
2）研究光电效应的实验装置
3）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。
一 光电效应的实验规律
2.光电效应的实验规律
1）存在截止频率
频率低于νc的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出，这个νc叫截止频率.
2）存在饱和电流
光照条件不变时U增大，光电流I趋于一个饱和值.
这说明：
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.
3）存在遏止电压
与入射光的强度无关，只与入射光的的频率有关
当频率大于νc，光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，产生光电流的时间不超过10-9s
4）光电效应的瞬时性
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。
最大初动能：
思考与讨论
金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则热运动，但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这说明什么？
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。
二、光电效应经典解释中的疑难
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。但在温度不是很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
金属表面层内存在一种力，阻碍了电子的逃逸。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)逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。
(2)几种金属的截止频率和逸出功(如下表所示)。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
νc/(1014Hz) 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
按照光的电磁理论，能否解释下列问题。
(1)截止频率的存在。
(2)遏止电压Uc应该与光的强弱无关。
(3)光电效应的瞬时性。
对于光电效应的解释，爱因斯坦是在普朗克量子假说的基础上作出的。在这个假说的启发下，爱因斯坦在1905年发表了题为《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的文章。
他表示，普朗克关于黑体辐射问题的崭新观点还不够彻底，仅仅认为振动着的带电微粒的能量不连续是不够的。为了解释光电效应，必须假定电磁波本身的能量也是不连续的，即认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v 的光的能量子为hv，其中，h为
普朗克常量。这些能量子后来称为光子。
三、爱因斯坦的光电效应理论
按照爱因斯坦的理论（图4.2-3），当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 hv，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，即
上式称为爱因斯坦光电效应方程，式中Ek 为光电子的最大初动能
三、爱因斯坦的光电效应理论
从下面的讨论可以看出，爱因斯坦光电效应方程可以很好地解释光电效应实验中的各种现象。
1、 这个方程表明，只有当hv > W0 时，光电子才可以从金属中逸出， vc ＝ W0/ h就是光电效应的截止频率（图4.2-4）。
三、爱因斯坦的光电效应理论
从下面的讨论可以看出，爱因斯坦光电效应方程可以很好地解释光电效应实验中的各种现象。
2、这个方程还表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v有关，而与光的强弱无关。这就解释了遏止电压和光强无关
三、爱因斯坦的光电效应理论
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，光电流自然几乎是瞬时产生的
4、对于同种频率的光，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。
思考与讨论： 爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率 v 的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 Uc 。
那么，怎样得到截止电压 Uc 与光的频率 v 和逸出功 W0 的关系呢？
三、爱因斯坦的光电效应理论
利用光电子的初动能
和爱因斯坦光电效应方程
可得：
三、爱因斯坦的光电效应理论
对于确定的金属，其逸出功W0 是确定的，电子电荷e 和普朗克常量h都是常量。故上式中的截止电压Uc 与光的频率 v 之间是线性关系
Uc- v 图像是一条斜率为 h/e的直线（图4.2-5）
三、爱因斯坦的光电效应理论
从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他的目的是：测量金属的截止电压Uc与入射光的频率v，由此算出普朗克常量h
并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性
实验的结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5% 的误差范围内是一致的。这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据。
爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年的诺贝尔物理学奖
四、康普顿效应和光子动量
1.康普顿效应
石墨
X射线
发现在散射的X射线中，除了与人射波长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。
λ0
=λ0
>λ0
2.经典理论的解释康普顿效应
石墨
X射线
λ0
受迫振动
反射波
散射波
>λ0
振动频率=入射光频率
这跟经典电磁理论是相违背的。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。
=散射光频率
=λ0
3.光子模型解释康普顿效应
康普顿
光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：
波长变长的解释：
P↓
——λ↑
光子的动量P
康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖
五、光的波粒二象性
1.光的本性
(1)19世纪初托马斯·杨、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象。
(2)19世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的电磁波本质。
(3)光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性。
(4)光既有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
对光的认识的几种学说
学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性
代表人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 公认
实验依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速度 光电效应，康普顿效应 光既有波动现象，又有粒子特征
对光的认识的几种学说
内容要点 光是一群弹性粒子 光是一种机械波 光是一种电磁波 光是由一份一份光子组成的 光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性
理论领域 宏观世界 宏观世界 微观世界 微观世界 微观世界
对光的波粒二象性的理解
实验基础 表现 说明
光的波动性 干涉和衍射 (1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述(2)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质(3)波长长的光容易表现出波动性 (1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的(2)光的波动性不同于宏观观念的波
对光的波粒二象性的理解
光的粒子性 光电效应、康普顿效应 (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)波长短的光，粒子性显著 (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
考点一　光电效应现象及实验规律
1.不带电的锌板和验电器用导线相连.若用甲灯照射锌板，验电器的金属箔片不张开；若用乙灯照射锌板，验电器的金属箔片张开，如图1所示，则与甲灯相比，乙灯发出的光
A.频率更高 B.波长更大
C.光强更强 D.速度更大
√
图1
2.对光电效应现象的理解，下列说法正确的是
A.当某种单色光照射金属表面时，能产生光电效应，如果入射光的强度
减弱，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B.若发生了光电效应且入射光的频率一定时，光强越强，单位时间内逸出
的光电子数就越多
C.无论光强多强，只要光的频率小于截止频率就能产生光电效应
D.以上说法都不正确
√
D
课堂小结
一、光电效应
1、光电效应概念
2、实验规律
3、实验规律与经典物理解释的矛盾
4、爱因斯坦对光电效应的解释
二、康普顿效应
1、康普顿效应概念
2、经典物理解释的困难
3、光子模型对康普顿效应的解释
三、光电效应与康普顿效应发现的意义
光具有粒子性，光子具有能量
光具有粒子性，光子具有动量