4.2 光电效应 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 第2节 光电效应（1） 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。 情境与思考 实验现象：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。这意 味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。 2 1. 定义： 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。 光电效应 2. 光电子： 光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。 ★光电管：利用光电效应制成的一种光学元件，可以把光信号转变为电信号。 抽真空的玻璃管里有阴极和阳极，有光束照射阴极会逸出光电子，当光电子被阳极吸收会产生光电流。 3 1. 定义： 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。 光电效应 2. 光电子： 光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。 思考：我们如何探究光电效应的规律和 电子逸出情况呢？ 1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，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。 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.汤姆逊等相继进行了实验研究，证实了这个现象。 需要探究光照强度、频率等因素对金属板电子逸出的影响。 问：我们如何知道电子逸出情况呢？ 答：静电计（定性）和电流表（定量） 4 研究光电效应中电子的发射情况与照射光的强弱、颜色(频率)等物理量间的关系。 2. 实验装置： ①阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极， K在受到光照时能够发射光电子。 ②阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整。 ④若阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流， 光电流越大，说明光电效应越强。 1. 实验目的： 光电效应的实验 ③电源的正负极也可以对调。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，光电子从 阴极K逸出后，在AK之间被电场加速；若加反向电 压，光电子会被减速。 ② 5 光电效应的实验规律 实验表明：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电子不再逸出，νc称为截止 频率或极限频率。不同金属的截止频率νc 不同，即截止频率与金属自身的性质 有关。 ①当入射光频率 ν > νc 时，光电子才能逸出金属表面； ②当入射光频率 ν < νc 时，无论光强多大也无光电子逸出。 (1)存在截止频率(极限频率)νc： →与材料有关 根据科学家们的探究： 6 光电效应的实验规律 (2)存在饱和电流： 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，电压增加到一 定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即 使再增大电压，电流也不会增大。 ①在光的频率不变的情况下，入射光越强，单位 时间内发射的光电子数越多，故饱和电流越大。 →与入射光强度(单位时间在单位面积上接收的总能量)有关 光照条件不变的情况下，随着电压增大，光电流趋于一个饱和值。 ②待补充。 (饱和电流与入射光的强度有关其实是与光子数有关) 8 光电效应的实验规律 (3)存在遏止电压Uc： 　 　 　 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光的频率越大时，遏止电压越大。 →与入射光频率有关 光电效应的实验规律 (3)存在遏止电压Uc： →与入射光频率有关 当具有最大初动能的光电子垂直到达阳极A时，动能刚好减小为零： 此时反向电压逐渐增大，光电子作减速运动，光电流逐渐减小； － + + + + - - - - v E E U F K A 是否所有光电子 初动能都一样？ 光电子逸出时是否有初动能？ 11 光电效应的实验规律 (4)光电效应具有瞬时性： 即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率， 电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。 更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10-9 s，这个现象一般 称作“光电子的瞬时发射”。 思考：金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不是 很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢？ 光电效应经典解释中的疑难 1. 逸出功：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。要使电子脱离某种金属，需要外界对 它做功，做功的最小值叫作这种金属表面的逸出功。 不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 14 光电效应实验 经典电磁理论 存在截止频率 →与材料有关 存在遏止电压 →与入射光频率有关 具有瞬时性 光电效应经典解释中的疑难 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。 如果光很弱，按经典电磁理论估算，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。 ★以上结论都与实验结果相矛盾！ 2. 经典电磁理论：光是一种波，具有连续性和累积效果。 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。 爱因斯坦的光电效应理论 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。 普朗克 爱因斯坦 在这个假说的启发下，爱因斯坦在1905年发表了题为 《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的文章。 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：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。 ε = hν 光子的能量： 1. 光量子理论： 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。 16 爱因斯坦的光电效应理论 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。 爱因斯坦通过这个方程完美地解释了光电效应实验的规律。 hv＝W0+Ek Ek=hv - W0 2. 光电效应方程： 只有金属表面逸出的电子才具有最大初动能，其他电子的动能是 0~ Ek范围内的任意值。 金属的逸出功 当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，h是普朗克常量(h=6.63×10-34J·s) 17 第四章 原子结构和波粒二象性 第2节 光电效应（2） - 爱因斯坦的光电效应理论 3. 光子说对光电效应的解释： Ek=hv - W0 (1)截止频率： 实验中光照射到金属时，金属中一个电子只能吸收一个光子的能量，即hv。 hv>W0 →产生光电效应 hv<W0 →无光电效应 hvc=W0 → ①斜率k=h ②纵截距-W0 ③横截距νc →与材料有关 爱因斯坦的光电效应理论 3. 光子说对光电效应的解释： (2)饱和电流： →与入射光强度(单位时间在单位面积上接收的总能量)有关 ①在光的频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多， 故饱和电流越大。 ②在光强不变的情况下，入射光频率越大，根据E=nhν，单位时间内发出的 光子数越少，故饱和电流越小。 爱因斯坦的光电效应理论 3. 光子说对光电效应的解释： (3)遏止电压： eUc=hv-W0 →与入射光频率有关 21 爱因斯坦的光电效应理论 3. 光子说对光电效应的解释： ★到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。 (4)具有瞬时性： 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然 几乎是瞬时发生的。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概 率几乎为零）。 思考：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，容易测量的是遏止电压Uc。那么，怎样得到遏止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢？ k = - eUc=hv-W0 为什么图像不一样？ 对于确定的金属，其逸出功W0 是确定的，电子电荷e 和普朗克常量h都是常量。上式中的截止电压Uc与光的 频率v之间是线性关系，Uc-v图像是一条斜率为h/e的直线。 23 爱因斯坦的光电效应理论 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： 爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖。 密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。 两位wuli大佬 康普顿效应和光子的动量 X射线 λ ＝λ0 石墨体 （散射物质） λ =λ0 λ >λ0 1. 康普顿效应： 科学家在研究石墨对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。 思考：我们知道，光可以与介质中的物质微粒发生散射，改变传播方向，这叫光的 散射。那么散射波长会发生怎样的变化呢？ 2. 经典物理学的解释： 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。但是，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。所以X射线的波长不应 该在散射中发生变化。显然经典物理学无法解释。 这一现象经历了一二十年的研究，才在1923年由康普顿得出正确结论。 26 1923年，康普顿的学生，中国留学生吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。1925 － 1926年，吴有训用银的X射线为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验，对证实康普顿效应作出了重要贡献。 康普顿效应和光子的动量 5. 量子理论解释康普顿效应： 康普顿认为，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： 波长变长的解释： p↓→ λ↑ 基于这个假定的理论结果与实验符合得很好。康普顿效应让人们对光子有 了更深入的认识，进一步说明光具有粒子性。康普顿因此获得了1927年的诺贝 尔物理学奖。 爱因斯坦质能方程： 光子能量： 式中h为普朗克常量，𝝀为光波的波长。 爱因斯坦质能方程：质量和能量之间的关系，说明物质可以转变成辐射能，辐射能也可以转变成物质。 在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。从式看，动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长变大。 28 光的波粒二象性 1. 人类对光的认识过程： 众所周知，在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种电磁波，从而光的波动说被普遍接受，人们不再认为光是由粒子组成的。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子（即一个个有确定能量和动量的“光子”）组成的。也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。当然，此时人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者。人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性（wave-particle dualism）。此后，又经过一系列探索，人们最终建立了比较完善的，能统一描述光的波动性和粒子性的理论——量子电动力学。 29 2. 光的波动性和光的粒子性是相对的： 光的波粒二象性 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。 与物体相互作用时表现出粒子性。 ★光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现。 波粒二象性 干涉 衍射 光电效应 康普顿散射 光是一种波 光是一种粒子 同学们，下课！ Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 $