第1節(jié)光電效應

新課標高中物理選修3－5第五章波和粒子第1節(jié)光電效應赫茲

隨著赫茲證實了電磁波的存在之后，當時又出現(xiàn)了一個無法用電磁理論解釋的現(xiàn)象光電效應用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導線與不帶電的驗電器相連），使驗電器張角增大到約為30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。。一、光電效應現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電光電效應1定義：在光的照射下，物體表面發(fā)出電子的現(xiàn)象叫做光電效應。發(fā)射出來的電子叫光電子。猜想:具備哪些條件才可能發(fā)發(fā)生光電效應規(guī)律,要發(fā)生與哪些因素有關?

一、光電效應1）與光的強度有關嗎?2）與光的顏色即與光的頻率有關嗎？3）與光照射時間有關嗎？4）與被照射的材料有關嗎？1、產(chǎn)生光電效應的條件2、光電子最大初動能4、光電流強度的決定3、光電效應產(chǎn)生的時間二、光電效應規(guī)律如圖所示裝置，不同單色光照射不同金屬，要產(chǎn)生光電效應，必須有一個最低頻率。如鋅板用紫外線照射，能產(chǎn)生光電效應，用黃光照射則不能產(chǎn)生光電效應。實驗結論

任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應，低于這個頻率的光，無論光強怎樣大，也不能產(chǎn)生光電效應。1、產(chǎn)生光電效應的條件(1)最大初動能的概念(2)最大初動能的測定(3)最大初動能的結論2、光電子最大初動能

光電效應中從金屬出來的電子，有的從金屬表面直接飛出，有的從內(nèi)部出來沿途與其它粒子碰撞，損失部分能量，因此電子速度會有差異，直接從金屬表面飛出的速度最大，其動能為最大初動能。(1)最大初動能的概念VV(2)最大初動能的測定實驗電路如圖甲（其中單色光的入口C用石英窗），用來測定光電子的最大初動能。當圖中電流表G讀數(shù)為零時，伏特表V中的讀數(shù)就是圖乙中的U。++++----U乙甲設光電子的最大初動能為1/2mv2，若光電子置于左圖勻強場中，則光電子作勻減速直線運動。m,e

在電子運動的位移上，設電勢差為U，電子電量為e，當eU=1/2mv2,電場對光電子做負功，光電子的動能將變?yōu)榱?所以eU就代表光電子的最大初動能

（3）最大初動能的結論光電子的最大初動能與入射光強度無關，只隨入射光的頻率增大而增大。精確的實驗表明:甲圖中發(fā)射光電子的陰極K，它相對圖中A極電勢可正可負?，F(xiàn)將圖中電源正負極反接（正向電壓）移動P適當調(diào)整AK間初始電壓，使光電子一旦飛出，電流表G指針就偏轉(zhuǎn)，以便了解入射光照射多長時間才產(chǎn)生光電效應。實驗結果即使入射光強度非常弱，只要入射光頻率大于極限頻率，電流表指針也幾乎隨著入射光照射立即偏轉(zhuǎn)，精確實驗表明，光電子發(fā)射至光電流產(chǎn)最多相差10-9秒。甲3、光電效應產(chǎn)生的時間4、光電流強度的決定按圖裝置，移動P使伏特表有一定讀數(shù)，用一定強度的光照射K，電流表中有一定讀數(shù)，這時改變K、A之間的電壓，使其增大，電流表顯示光電流在增大。但是，當K、A間電壓足夠大后，電流表讀數(shù)不再改變，這就是飽和光電流。表明光電效應中產(chǎn)生的光電子已能全部到達A極。所以升高電壓電流也不會再增大。此時若再增大照射光強度，光電流會隨之增大。當入射光的頻率大于極限頻率時，光電流強度與入射光的強度成正比。多次實驗結論是:二、

光電效應規(guī)律1）光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的，時間不超過10－9s.2）任何金屬都有一個能產(chǎn)生光電效應的最低照射光頻率，叫做極限頻率3）光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，而與入射光強度無關。4）光電流強度與入射光的強度成正比．得出結論:光電效應的發(fā)生與否,與光的強弱無關,與照射時間的長短無關,與光的頻率、金屬材料的種類有關。思考為什么說光的波動理論無法解釋光電效應的規(guī)律？

回想一下光的波動理論是怎樣描述光的能量的呢？三、波動理論對光電效應的解釋的困難：波動理論光電效應實驗結果困難1光能由振幅決定，與光頻率無關，只要光強足夠大（不論入射光的頻率多），總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應如果ν﹤ν0，無論光強有多大，都不能發(fā)生光電效應，光能應由光頻率來決定困難2光強越大，電子可獲得更多能量，光電子的最大初動能也應該越大，遏止電壓也應越大。即出射電子的最大初動能應該由光強來決定光電子的最大初動能、遏止電壓都與光強無關，而與頻率有關困難3光強大時，電子能量積累的時間就短，光強小時，能量積累的時間就長當入射光照射到光電管陰極時，無論光強怎樣，幾乎瞬間就產(chǎn)生了光電子1、波動理論無法解釋極限頻率．2、光電子最大初動能的大小應與光強有關，與頻率無關．波動理論在解釋光電效應時的矛盾3、弱光照射時應有能量積累過程，不應瞬時發(fā)生．光的波動理論在解釋光電效應時遇到了巨大的困難。后來，愛因斯坦在普朗克量子化理論的啟發(fā)下，提出了光子學說．普朗克愛因斯坦四、量子假說光子：普朗克的量子假說：在微觀世界里，物理量的取值很多時候是不連續(xù)的，只能取一些分立的值，這稱為量子化現(xiàn)象。愛因斯坦的光子假說：在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子，光子的能量E跟光的頻率ν成正比。光子的能量E＝hν其中h是一個常量，叫普朗克常量：

h=6.63×10－34J.s五、光電方程光子說對光電效應的解釋：2.在光電效應中，入射光的能量等于出射的光電子的最大初動能與逸出功之和：即：或這叫愛因斯坦光電效應方程，簡稱光電方程1.使金屬表面的電子能掙脫原子核的引力而逸出成為光電子所需做的功叫逸出功（4）.從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極極限頻率：（1）.光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。

3.愛因斯坦對光電效應的解釋：（2）.電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。（3）.從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系()金屬銫鈉鋅銀鉑波長（μm）0.66000.50000.37200.26000.1962頻率（Hz）4.545×10146.000×10148.065×10141.153×10141.529×1014幾種金屬的逸出功銫鈣鎂鈹鈦逸出功W/eV1.92.73.73.94.1部分金屬的極限頻率和波長由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。4.光電效應理論的驗證

美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。放大器控制機構可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。1.光控繼電器可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108

倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管六.光電效應在近代技術中的應用光電管1、___________________________的現(xiàn)象稱為光電效應，發(fā)射出來的電子叫____________。物體在光的照射下發(fā)射電子光電子鞏固練習：2、光電管的作用是把_______信號轉(zhuǎn)變?yōu)開_____信號。由于光電管發(fā)生光電效應而在電路中形成的電流叫_________。光電光電流3、在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器指針張開一個角度，如圖所示，這時()A．鋅板帶正電，指針帶負電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．鋅板帶負電，指針帶正電 D．鋅板帶負電，指針帶負電B5、已知銫的極限頻率為4.545×1014Hz，鈉為6.0×1014Hz，銀為1.153×1015Hz，鉑為1.529×1015Hz，當用波長為375nm的光照射它們時，可發(fā)生光電效應的是__________________。（光速c=3.0×108m/s，光速與波長、頻率的關系：c=λf）銫和鈉4、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應（）A.增大入射光的強度B.增加光的照射時間C.改用黃光照射D.改用紫光照射D6、某種頻率的光射到金屬表面上時，金屬表面有電子逸出，若光的頻率不變而強度減弱，那么下述結論中正確的是A．光的強度減弱到某一數(shù)值時，就沒有電子逸出B．逸出的電子數(shù)一定減少C．逸出的電子數(shù)有可能增加D．逸出的電子數(shù)有可能不變B7、下列關于光電效應的說法正確的是（

）

A．光電子的動能隨照射光頻率的增大而增大

B．光電子的初速度與照射光的頻率成正比

C．光電子的最大初動能與照射光的頻率成正比

D．光電子的最大初動能隨照射光頻率的增大而增大8、用綠光照射一光電管能產(chǎn)生光電效應，欲使光電子從陰極逸出時的最大初動能增大應（）A．改用紅光照射B．增大綠光的強度C．增大光電管上的加速電壓D．改用紫光照射DD9、已知某單色光的波長為λ，在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則該電磁波輻射的能量子的值為()A．hc/λB．hλ/cC．h/λD．hcλ10、某激光器能發(fā)射波長為λ的激光，發(fā)射功率為P，真空中光速為c，普朗克常量為h，則該激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為()A.λP/hcB.hP/λcC.λcP/hD.hλP/cAA11、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長λ甲>λ乙>λ丙，則：A、用三種入射光照射金屬a，均可發(fā)生光電效應B、用三種入射光照射金屬c，均可發(fā)生光電效應C、用入射光甲和乙同時照射金屬c，可能發(fā)生光電效應D、用入射光甲照射金屬b，可能發(fā)生光電效應A

12、用波長為λ的單色光照射某金屬逸出光電子的最大初動能為用波長為2λ的單色光照射該金屬逸出電子的最大初動能的n倍,則能使該金屬發(fā)生光電效應的最大波長是多少?13、波長為λ＝0.17μm的紫外線照射至金屬筒上能使其發(fā)射光電子，光電子在磁感強度為B的勻強磁場中，做最大半徑為r的勻速圓周運動時，已知r·B=5.6×10-6T·m，光電子質(zhì)量m=9.1×10-31Kg，電量e=1.6×10-19C，求：(1)每個光電子的最大初動能；(2)金屬筒的逸出功．(1)4.41×10-19J(2)7.3×10-19J14.可見光子的能量有多大？求波長是0.4微米的可見光子和波長為10-7微米的γ射線光子的能量?(用電子伏特作為能量單位)15.使鋅產(chǎn)生光電效應的最長波長是0.3720微米，鋅的逸出功是多少？

第2節(jié)康普頓效應康普頓(1892-1962)--美國物理學家1.光的散射

光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射

1923年康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關，而與入射線波長和散射物質(zhì)都無關。一.康普頓效應2.康普頓效應3.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體光闌X射線管探測器X射線譜儀石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長的電磁波，

散射光的波長是不會改變的！康普頓正在測晶體對X射線的散射4.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難（2）.無法解釋波長改變和散射角的關系。（1）.根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應等于入射光頻率。二、光子理論對康普頓效應的解釋康普頓效應是光子和電子作彈性碰撞的結果，具體解釋如下：2.若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。1.若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長（根據(jù)E=hν)。3.因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。三.康普頓散射實驗的意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設；（2）首次在實驗上證實了“光子具有動量”

的假設；（3）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎。1925—1926年，吳有訓用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作.對證實康普頓效應作出了重要貢獻。在同一散射角()測量各種波長的散射光強度，作了大量X射線散射實驗。（1897-1977）吳有訓

有記者曾問英國物理學家、諾貝爾獲獎者布拉格教授：光是波還是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個波，星期二、四、六它是一個粒子，星期天物理學家休息?！比绻悄?，你會如何回答？那么光的本性到底是什么？五、光的本性密立根光電效應實驗1.光學發(fā)展史1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動性粒子性1801托馬斯·楊雙縫干涉實驗1814菲涅耳衍射實驗赫茲電磁波實驗1888赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應19161922康普頓效應粒子性波動性具有能量具有頻率具有動量h2.光的波粒二象性具有波長光既具有粒子性，又具有波動性。

(h架起了粒子性與波動性的橋梁)

1926年德國物理學家波恩提出了概率波，認為個別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。光的強弱對應于光子的數(shù)目，明紋處達到的光子數(shù)多，明紋表示光子達到的概率大。暗紋反之。3.德布羅意波的統(tǒng)計解釋7個電子100個電子300020000一個一個電子依次入射雙縫的衍射實驗：70000體現(xiàn)了粒子性體現(xiàn)了波動性粒子出現(xiàn)的概率高粒子出現(xiàn)的概率低雖然不能肯定某個光子落在哪一點，但在屏上各處明暗不同可以推知，光子落在各點的概率是不一樣的，即光子落在明紋處的概率大，落在暗處的概率小。則光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過衍射、干涉的明暗條紋這樣的波動規(guī)律確定.通過上述實驗可知：

----------光是一種概率波。頻率低、波長長，波動性較明顯頻率高、