17.2 光的粒子性-2021-2022学年高二物理精梳细讲 讲义（人教版选修3-5）

17.2 光的粒子性 【基础知识梳理】 一、光电效应的实验规律 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的现象． 2．光电子：光电效应中发射出来的电子． 3．光电效应的实验规律 (1)存在着饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大． (2)存在着遏止电压和截止频率：入射光的频率低于截止频率时不(填“能”或“不”)发生光电效应． (3)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9s. 4．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W0表示，不同金属的逸出功不同． 【难点】 1．光电效应的实验规律 (1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于等于这个截止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应． (2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大． (3)大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比． (4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9 s. 2．光电效应实验相关概念的理解 (1)饱和电流 金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和电流，在一定条件下，饱和电流与所加电压大小无关，只与入射光的强度有关．入射光越强，饱和电流越大．即：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多． (2)遏止电压、截止频率、逸出功 ①遏止电压：使光电流减小到0的反向电压．用符号Uc表示． 计算方法：－eUc＝0－Ekm 遏止电压与入射光的频率有关．入射光的频率不变，遏止电压不变，入射光的频率改变，遏止电压改变．这表明光电子的能量只与入射光的频率有关． ②截止频率：能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的截止频率． ③逸出功：电子从金属中挣脱出来，要克服金属表面层的一些力做功，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．不同金属的逸出功不同． 3．光电效应与经典电磁理论的矛盾 按照光的电磁理论，应有： (1)光越强，光电子的初动能越大．遏止电压与光的强弱有关； (2)不存在截止频率，只要光足够强，任何频率的光都能产生光电效应； (3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10－9 s. 显然，这三条推理与光电效应的实验规律相矛盾． 二、光子说及爱因斯坦的光电效应方程 1．光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν，其中h＝6.63×10－34 J·s. 2．爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0. (2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分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. 【难点】 1．光子说：光子说的提出说明了光是由光子组成的．光子的能量ε＝hν，决定于光的频率．光的强度与光子的数目有关，在频率一定的情况下，光越强，单位时间内单位面积上的光子数越多． 2．光电效应方程：Ek＝hν－W0 (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． ①能量为ε＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的初动能． ②如要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，根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0. 3．光子说对光电效应的解释 (1)饱和电流与光照强度的关系：一定频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和电流越大． (2)存在截止频率和遏止电压： ①由爱因斯坦光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关． ②若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率． 三、康普顿效应 1．光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射． 2．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． 3．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，深入揭示了光的粒子性的一面． 4．光子的动量 (1)表达