4.2 光电效应 课件 -2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 4.2 光电效应 问题：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。 这个现象说明了什么问题？ 实验发现，若使锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小，说明锌板带的负电荷变少了。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。 这个现象称为光电效应 这种电子常称为光电子 1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。 后来这一现象引起许多物理学家的关注。德国物理学家勒纳德、英国物理学家J. J. 汤姆孙等相继进行了实验研究，证实了这个现象。 下面我们用图4.2-1所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色（频率）等物理量之间的关系 如图4.2-1，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。这导致电压U为0时电流I并不为0（滑片移到最左端时，电压U为0）。 uA A K 窗口 I 一、光电效应的实验规律 大量实验表明：入射光的频率必须高于某一极限频率才能发生光电效应。 ①存在截止频率：vc →跟材料有关 一、光电效应的实验规律 实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关 + + + + + + 一 一 一 一 一 一 K A E ②存在饱和电流：IC 一定的光照情况下，产生的光电子数量是一定的。 实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。 一、光电效应的实验规律 ③存在遏止电压：Uc + + + + + 一 一 一 一 一 K A E 此时拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功： 一、光电效应的实验规律 实验表明：对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的。光的频率 ν改变时，遏止电压也会改变。 光电子的能量（初动能）只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。 饱和电流IC 遏 止 电 压 ④光电效应具有瞬时性 实验发现：无论入射光多为弱，都会在照射到金属时立即产生光电子，精确测量表明这个时间<10-9s，也就是说电子不需要积累能量的时间。 截止频率 饱和电流 遏止电压 规律 →频率 →光强 →频率 瞬时<10-9s 令科学家感到困惑 一、光电效应的实验规律 二、光电效应经典解释中的疑难 思考与讨论 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。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢? 金属原子 原子核 这表明金属表面层内存在一种力，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。 使电子脱离某种金属所做功的最小值。 ①逸出功W0： 金属 钨 钙 钠 钾 铷 vc/（1014HZ） 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15 W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13 ③光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 ②光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。 1.光的电磁理论 任何一种金属，都有一个极限频率，入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的（ t﹤10-9秒） 入射光越强，饱和电流大。 光电效应规律 经典理论的解释 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 入射光越强，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和电流大。 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面。不存在极限频率。 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。 若光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间 才能获得逸出表面所需的能量。 × × × 2.光的电磁理论与光电效应的矛盾 电磁理论 ＊不存在截止频率 ＊截止电压→光强 ＊需要长时间 存在截止频率 遏止电压 →频率 瞬时<10-9s 实验结果 光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家们的认真思考。 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