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

4.2光电效应 问题导入 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让电子从锌板表面逸出,锌板带的负电荷变少了。 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? 当光线（包括不可见光） 照射到金属表面，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(光电效应中金属表面逸出的)电子常称为光电子。 一、光电效应的实验规律 1.研究光电效应的电路图 ① 光电管：由真空玻璃管、阴极K、阳极A组成;阴极K在受到光照时能够发射光电子 ② 辅助电路：由电源、滑动变阻器、灵敏电流计、电压表、电建组成 ;阳极A吸收阴极K发出的光电子，定向移动形成光电流。光电流越大，说明光电效应越强。 一、光电效应的实验规律 I 思考：为什么要加正向电压？ ③ 电路各部分的作用： 电 源：为A、K两极间提供正向电压（或反向电压）； 滑动变阻器：调节A、K两极间电压大小； 电 压 表：测量所加电压大小； 电 流 表：测量光电流大小。 研究光电效应的电路 右图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。 思考：为什么要加正向电压？ 分析：光束照在阴极K上会发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在AK之间电场的电场力作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大实验效果，增强实验“可见性”）。 2. 实验规律： ① 存在截止频率 每种金属，都有确定的截止(极限)频率νc ，截止频率 只与金属自身的性质有关： 入射光频率ν > ν c ，电子才能逸出金属表面； 入射光频率ν < ν c，无论光强多大也无电子逸出金属表面。 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。 ② 存在饱和电流 实验表明：光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。 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。 实验表明：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大， 说明：对于一定频率的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 饱 和 电 流 ③存在遏止电压 反向电压增加，光电流减小。使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。遏止电压的存在意味着光电子初速度的最大值vc (到达A极时，动能刚好减小为零)应该满足关系： 加反向电压 　 　 　 【存在着遏止电压】：使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。 ①对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样 ②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。 ③这表明光电子的能量（初动能）只与入射光的频率有关。而与入射光的强弱无关 最大初动能 实验发现：无论入射光多弱，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，也就是说光电效应几乎是瞬时发生的(电子不需要积累能量的时间)。 ④光电效应具有瞬时性 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。 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 几种金属的截止频率和逸出功 (不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同) 要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值。 光电效应经典解释 （光的电磁理论——光是电磁波） ⑴当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。 ⑵光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 ⑸如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 ⑶不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率； ⑷光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关； 这些 (3)(4)(5)结论与实验结果相矛盾 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。 【例题1】在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是（ ） A.验电器的指针带正电 B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大 C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少 D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应 A 典例解析 【例题2】图甲是光电效应的实验装置，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系。根据乙图中的曲线，可知（　　） A.在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大 B.对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定 C.遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大 D. 只要增大电压，光电流就会一直增大 解析： 由乙图中黄光的曲线可知，入射光越强，饱和电流越大，A正确；由乙图中黄光的曲线可知，遏止电压与光的强弱无关，比较黄光和蓝光，因为蓝光的频率大于黄光的频率， 而图中蓝光的遏止电压大于黄光的遏止电压，故B正确；根据Ekm=eUc可知，遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大，故C正确；增大电压，当电压增大到一定值，电流达到饱和电流，不再增大，故D错误。 ABC 典例解析 三、爱因斯坦的光电效应理论 1.光量子理论 能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。 爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。 光子的能量： E =h 爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论。 EK=hv-W0 金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，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。 通过这个方程爱因斯坦完美地解释了光电效应实验的规律。 hv＝W0+EK ——光电子最大初动能 ——金属的逸出功 W0 光电效应方程 式中 h 叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s) 注意：式中Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是 0~ Ek 范围内的任何数值。 2.光电效应方程 3.光子说对光电效应的解释 ①截止频率的解释 光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。 hv>W0 →产生光电效应 hv<W0 →无光电效应 hv=W0 → 就是极限频率 Ek = –W0 ①斜率k=h（普朗克常数） ②横截距νc（极限频率） ③纵截距为－W0（逸出功的负值） 【例】 (多选)如图1是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象.普朗克常量为h，由图象可知 A.该金属的逸出功等于E B.该金属的逸出功等于hν0 C.入射光的频率为2ν0时，产生的电子的最大初动能为E D.入射光的频率为 时，产生的电子的最大初动能为 √ 图1 √ √ ②遏止电压的解释 EK=hv-w0 遏 止 电 压 EK只与入射光的频率有关 对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。 eUc=hv-W0 ③瞬时性的解释 电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累,光电流自然几乎是瞬时发生的。 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。 ④饱和电流的解释 到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。 【例】 (多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是（ ） A.若νa＞νb，则一定有Ua＜Ub B.若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb C.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb D.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb 由爱因斯坦光电效应方程得，Ek＝hν－W0，由动能定理得，Ek＝eU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同.当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝ hνa－ Eka＝ hνb－ Ekb，故选项D错误。 BC 做一做 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? EK=hv-W0 某金属的Uc-v图像 思考与讨论 思考与讨论 【例】如图所示，图线A、B分别是金属A和金属B的遏止电压Uc和入射光频率ν的Uc——ν图像，则由图可知(　 　) A．金属A的逸出功大于金属B的逸出功 B．金属A的截止频率小于金属B的截止频率 C．图线的斜率为普朗克常量 D．如果用频率ν=5.5×1014Hz的入射光照射两种金属，从金属A逸出的光电子的最大初动能较大 BD 根据光电效应测得h与普朗克黑体辐射得出的h在误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据，因此爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在 1915 年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。 光子像其他粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。 4、密立根验证光电效应方程 5. 光电效应的两条线索、两个关系 X射线 λ ＝λ0 石墨体 （散射物质） λ =λ0 λ >λ0 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 在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象称为康普顿效应。 （1）光的散射 说明能量有损失，导致波长变长。 四、康普顿效应和光子动量 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 入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。 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： 爱因斯坦质能方程： 光子能量： 波长变长的解释： P↓ ——λ↑ 式中h为普朗克常量,为光波的波长. 3.光子模型解释康普顿效应 五、光的波粒二象性 光电效应 康普顿散射 λ>λ0 思考：光究竟是就是粒子，还是波？ 粒子： V、m、q ，运动符合牛顿运动定律 波： 特征是频率v和波长λ 相互排斥 牛顿光的微粒说 光是实物粒子 惠更斯和托马斯杨的光的波动说 光是振动形式在媒质的传播——波 到麦克斯韦的光的电磁理论 光是电磁波 爱因斯坦的光子理论 光是能量子即光子 1、人类对光的认识过程 干涉 衍射 表明光是一种波 表明光是一种粒子 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 光电效应 康普顿散射 λ>λ0 2、光的波动性和光的粒子性 λ>λ0 波粒二象性 传播的过程中，表现出波动性 波长较长时，表现出波动性 波长较短时，表现出粒子性 物体相互作用时，表现出粒子性 光的粒子性和波动性是相对的，是不同条件下的表现。 3、光的粒子性和波动性是相对的 例1：利用光子说对光电效应的解释，下列说法正确的是( ) A.金属表面的一个电子只能吸收一个光子 B.电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子 C.金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出 D.无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子 A 例2：下列有关光的波粒二象性的说法正确的是（ ） A.有的光是波，有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子 C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短.其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往显示出粒子性 C 例3：能够证明光具有波粒二象性的现象是（ ） A.光的反射和小孔成像现象 B.光的衍射和光的色散 C.光的折射和透镜成像 D.光的干涉、光的衍射、光电效应和康普顿效应 D 课堂小结 光 电 效 应 光电效应的实验规律 爱因斯坦的光电效应理论 康普顿效应和光子的动量 光的波粒二象性——量子电动力学 光电效应经典解释中的疑难 1887年，赫兹在发现了光电效应现象 光电效应现象 ①存在截止频率； ②存在饱和电流； ③存在遏止电压； ④具有瞬时性。 ①无法解释存在截止频率； ②无法解释遏止电压与光强无关； ③无法解释光电效应的瞬时性。 ①光子的能量：ɛ=hv ②光电效应方程：Ek = hν－W0 ③对光电效应是按规律的解释（略） 课堂小结 $$