高中物理 鲁科版选修3-5学案：第5章+第1、2节 光电效应　康普顿效应Word版含答案

第1、2节
1.光电效应是指在光的照射下电子从物体表面逸出
的现象。每一种金属对应一种光的最小频率，又称
极限频率，只有当光的频率大于或等于极限频率才
会产生光电效应。
2．爱因斯坦光电效应方程：hν＝W＋mv2，其中hν
是一个光子的能量，W为逸出功，mv2是电子吸
收光子后离开金属表面的最大初动能。
3．X射线散射实验发现，部分散射光的波长变长，
波长改变的多少与散射角有关，这种现象称为康普
顿效应。
4．光既有粒子的特性，又有波的特性，即光具有
波粒二象性。玻恩用概率波很好地解释了光的波粒
二象性。
1．光电效应
在光的照射下电子从物体表面逸出的现象。
2．光电效应的实验规律
(1)每一种金属对应一种光的最小频率称为极限频率。只有当光的频率大于或等于极限频率时，才会发生光电效应；当光的频率小于极限频率时，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应。
(2)产生光电效应时，单位时间内逸出金属表面的电子数与光的强度有关；光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多。
(3)从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔极短，通常可在10－9_s内发生光电效应。
3．光量子
看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的光子组成的，每一个光子的能量为hν。
4．光电效应方程
hν＝W＋mv2，式中hν为一个光子的能量；W为一个电子从金属表面逸出而必须做的功，称为逸出功；mv2为该电子离开金属表面的最大初动能。
5．光的散射
光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的现象。
6．康普顿效应
(1)康普顿效应现象
在光的散射中，除了与入射波长相同的成分外，还有部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关。
(2)康普顿效应的意义
康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，进一步说明了光具有粒子性。
7．光的波粒二象性
(1)光的波动性
英国科学家托马斯·杨用波动理论解释了光的干涉现象；法国科学家菲涅耳用波动理论定量计算了光的衍射光强分布；麦克斯韦提出光是一种电磁波。
(2)光的粒子性
光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，但同时也体现了波动性。
(3)光的波粒二象性
事实上光子既有粒子的特征，又有波的特征。玻恩用概率波很好地解释了光的波粒二象性。光的波长较长时波动性较明显，光的波长较短时粒子性较明显。
1．自主思考——判一判
(1)光电效应实验中光照时间越长光电流越大。(×)
(2)光电效应实验中入射光足够强就可以有光电流。(×)
(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关。(√)
(4)康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量。(√)
(5)康普顿效应进一步说明光具有粒子性。(√)
(6)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。(√)
2．合作探究——议一议
(1)你对光电效应中的“光”是怎样认识的？
提示：这里的光，可以是可见光，也可以是紫外线、X光等。
(2)太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中，尽管太阳光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？
提示：地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空的真空环境下，光不再散射，只向前传播。
对光电效应现象的理解
1．爱因斯坦光子理论对光电效应的解释
(1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，光子将能量传递给电子，每个光子的能量为hν，所以一个光子传递给一个电子的能量为hν，电子要脱离原子核的引力，有一个最小能量，最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率，即极限频率。如果小于这一频率，即使增大光强，也不会使电子逸出。这是因为增大光强，只是增加了吸收光子能量的电子数，单个电子吸收的光子能量仍为hν，电子仍不能逸出。
(2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的。如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出。因为一个电子吸收一个光子后，在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子，所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面。
(3)解释最大初动能与频率的关系：由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋mv2可知，电子从金属中逸出所需克服束缚而消耗的能量的最小值为逸出功，从金属表面逸出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能。就其他逸出的电子而言，离开金属时的动能小于最大初动能。最大初动能的大小与光的强度无关，与光的频率有关。
2．光电效应规律中的两个关系
(1)由hν＝W＋mv2得mv2＝hν－W，逸出电子的最大初动能Ekm与入射光的频率成一次函数关系。
(2)产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多。即如果形成光电流，光电流的强度与入射光的强度成正比。
[例1]　如图所示，阴极K用极限波长λ0＝0.66 μm的金属线制成，用波长λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，调整两个极板电压，当A板电压比阴极高出2.5 V时，光电流达到饱和，电流表示数为0.64 μA。求：(h＝6.63×10－34 J·s)
(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。
(2)如果把照射阴极绿光的光强增大为原来的2倍，每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极的最大初动能。
[思路点拨]　解此题应注意以下三点：
(1)饱和光电流I与每秒钟内阴极发射的电子数的关系是I＝ne；
(2)光电子的最大初动能可由爱因斯坦的光电效应方程求解；
(3)饱和光电流与光的强度成正比，光电子的最大初动能由入射光的频率决定。
[解析]　(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，阴极每秒钟发射的光电子的个数
n＝＝个＝4.0×1012 个
根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能为
Ekm＝hν－W＝h－h＝6.63×10－34×3×108×J＝9.6×10－20 J。
(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，根据光电效应实验规律，阴极每秒发射的光电子数n′＝2n＝8.0×1012 个，光电子的最大初动能仍然是Ekm＝9.6×10－20 J。
[答案]　(1)4.0×1012个　9.6×10－20 J
(2)8.0×1012个　9.6×10－20 J
(1)极限频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W＝hν0。
(2)某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大。　　　　
1．关于光电效应，下列说法正确的是(　　)
A．极限频率越大的金属材料逸出功越大
B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应
C．从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小
D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数越多
解析：选A　金属材料的逸出功W0与极限频率νc的关系为W0＝hνc，选项A正确。只有照射光的频率大于或等于金属的极限频率，才能产生光电效应，而与光照射的时间无关，选项B错误。由光电效应方程可知光电子的最大初动能mv2＝hν－W0，它由入射光的频率决定，对于特定金属，其逸出功是确定的，选项C错误。产生光电效应时单位时间内逸出的光电子数由入射光的光子数决定，与入射光的频率无关，选项D错误。
2．在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为____________。若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为________。已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h。
解析：设金属的截止频率为ν0，则该金属的逸出功W0＝hν0＝h；对光电子，由动能定理得eU0＝h－W0
解得U0＝·。
答案：　·
对光的本质的认识
1．光子说对康普顿效应的解释
假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。
(1)光子和电子相碰撞时，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)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长改变与散射角有关。
2．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性
(1)光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同。当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著。大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著。
(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现。光的波动性和粒子性是统一的。
[例2]　关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是(　　)
A．光的频率越高，衍射现象越容易看到
B．光的频率越低，粒子性越显著
C．大量光子产生的效果往往显示波动性
D．光的波粒二象性否定了光的电磁说
[思路点拨]　解答本题应把握以下三点：
(1)波粒二象性是对光本质的描述。
(2)频率高低影响光的粒子性和波动性的表现。
(3)大量光子波动性显著，少量光子粒子性显著。
[解析]　光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误。光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故A、B错误。大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C对。
[答案]　C
1．下列说法中正确的是(　　)
A．光子说否定了光的电磁说
B．光电效应现象反映了光的粒子性
C．光电效应和康普顿效应证明了光的粒子性，从而否定了光的波动性
D．大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性
解析：选B　光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不矛盾。光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体。光电效应反映了光的粒子性，但并没有否定光的波动性。少量光子产生的效果往往粒子性比较明显，大量光子往往表现出波动性，所以只有B项正确。
2．有关光的本性，下列说法正确的是(　　)
A．光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的
B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点
C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性
D．由于光既有波动性，又有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性
解析：选D　19世纪初，人们成功地在实验中观察到了光的干涉、衍射现象，这属于波的特性，微粒说无法解释；但到了19世纪末又发现了光的新现象——光电效应，这种现象波动说不能解释，证实光具有粒子性。因此，光既具有波动性，又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和机械粒子，波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，只能认为光具有波粒二象性，故选项A、B、C错，D正确。