2-2 光子-【创新设计】2019版同步课堂讲义物理（粤教版选修3-5）

第二节　光　子 [目标定位]　1.知道普朗克的能量子假说.2.知道爱因斯坦的光子说以及光子能量的表达式.3.知道爱因斯坦的光电效应方程以及对光电效应规律的解释． 一、能量量子假说 1．假说内容：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hν的整数倍． 2．能量量子：hν称为一个能量量子，其中ν是辐射频率，h是一个常量，称为普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s. 3．假说的意义：能量量子假说能够非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象． 4．量子化现象：在微观世界里，物理量的取值很多时候是不连续的，只能取一些分立值的现象． 二、光子假说 1．内容：光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，频率为ν的光的能量子为hν. 2．意义：利用光子假说可以完美地解释光电效应的各种特征． 三、光电效应方程 1．逸出功W0：电子脱离离子的束缚而逸出表面，这个功称为金属的逸出功． 2．光电效应方程：hν＝＋W0. mv 其中为光电子的最大初动能，W0为金属的逸出功． mv 想一想　怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程？ 答案　爱因斯坦光电效应方程中的hν是入射光子的能量，逸出功W0是光子飞出金属表面消耗的能量，Ek是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律． 四、光电效应的解释 1．对极限频率的解释 金属内部的一个电子一般只吸收一个光子的能量，如果光子的能量小于电子的逸出功，那么无论光的强度(光子数目)有多大，照射时间多长，金属内部的电子都不能被激发而逃逸出来．因此光电效应的条件是光子的能量ε＝hν必须大于或至少等于逸出功W0，即ν≥，而不同金属W0不同，因此不同金属的极限频率也不相同． 2．对遏止电压与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关的解释 遏止电压对应光电子的最大初动能，即：eU0＝，对应爱因斯坦的光电效应方程可得：hν＝eU0＋W0，可见，对某种金属而言，遏止电压只由频率决定，与光的强弱无关． mv 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题1 问题2 问题3 一、对光子概念的理解 1．光子不是光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果． 2．由光子的能量确定光电子的动能：光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，需克服原子核的引力做功最小，具有的初动能最大．光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能． 3．光子的能量与入射光的强度的关系：光子的能量即每个光子的能量，其值为E＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定．入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积． 【例1】　氦氖激光器发射波长为6.328×10－7 m的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18 mW，则每秒钟发射多少个光子？(h＝6.63×10－34 J·s) 答案　3.14×10－19 J　5.73×1016个 解析　根据爱因斯坦光子学说， 光子能量ε＝hν， 而λν＝c， 所以ε＝ J＝3.14×10－19 J ＝ 因为发光功率已知， 所以1 s内发射的光子数为 n＝个＝5.73×1016个 ＝ 借题发挥　光能量子E＝hν，光能是光子能量的整数倍，即E总＝nε＝nhν. 普朗克量子化理论，认为电磁波的能量是量子化的、不连续的，总能量是能量子的整数倍，即E总＝nε，其中ε＝hν，因此，只要知道电磁波的频率ν即可解答．光是一种电磁波，光能量子简称光子．其能量值是光能量的最小单位，ε＝hν，其中ν为光的频率，通常结合c＝λν，确定ε的值． 针对训练1　对应于3.4×10－19 J的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？(h＝6.63×10－34 J·s) 答案　5.13×1014 Hz　5.85×10－7 m 解析　根据公式ε＝hν和ν＝ 得ν＝ Hz≈5.13×1014 Hz， ＝ λ＝ m≈5.85×10－7 m.＝ 二、光电效应方程的理解与应用 1．光电效应方程Ek＝hν－W0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，其离开金属表面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ε＝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原子核对它的吸引，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