4.2 光電效應(yīng) 課件 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

2024/9/111物理組人教版物理選擇性必修三第4章《原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性》

第2節(jié):光電效應(yīng)

高二物理組邱鵬2024/9/112物理組

把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，并使鋅板帶負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗(yàn)電器指針的變化。

這個(gè)現(xiàn)象說明了什么問題？2024/9/113物理組01光電效應(yīng)現(xiàn)象2024/9/114物理組1.光電效應(yīng):

當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。2.光電子：在光電效應(yīng)中逸出的電子稱為光電子3.光電流：光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流2024/9/115物理組02光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2024/9/116物理組研究光電效應(yīng)的電路圖2024/9/117物理組2024/9/118物理組1、存在截止頻率（極限頻率）：vc

（1）當(dāng)入射光頻率減小到某一數(shù)值

c時(shí)，A、K極板間不加反向電壓，電流也為0。此時(shí)的光的頻率

c即為截止頻率?。?）金屬要發(fā)生光電效應(yīng)與入射光強(qiáng)弱無關(guān)，只與頻率有關(guān)。（3）入射光頻率低于截止頻率時(shí)，不光光照多強(qiáng)，金屬都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)?。?）不同金屬的截止頻率不同，截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。2024/9/119物理組2、存在飽和電流2024/9/1110物理組在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值。在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。這說明，在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電子都被陽極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。2、存在飽和電流2024/9/1111物理組2、存在飽和電流2024/9/1112物理組3、存在遏止電壓：Uc2024/9/1113物理組：使光電流減小到零的反向電壓加反向電壓，如右圖所示：光電子作減速運(yùn)動(dòng)。若速率最大的記為vC最大的初動(dòng)能U=0時(shí)，I≠0，因?yàn)殡娮佑谐跛俣葎tI=0，式中UC為遏止電壓遏止電壓UC－++++++vEEUFKA速率最大的是vc3、存在遏止電壓：Uc2024/9/1114物理組①對(duì)于同一種顏色（頻率）的光，無論光的強(qiáng)弱如何，遏止電壓都一樣②光的頻率發(fā)生變化時(shí)，遏止電壓也會(huì)發(fā)生變化。③這表明光電子的能量（動(dòng)能）只與入射光的頻率有關(guān)。而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)3、存在遏止電壓：Uc2024/9/1115物理組4、光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的，從光照射到產(chǎn)生光電流的時(shí)間不超過10－9

s，無論入射光多弱，都會(huì)在照射到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電子，精確測量表明這個(gè)時(shí)間<10-9s，也就是說電子不需要積累能量的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的截止頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時(shí)間不超過10－9

s（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。2024/9/1116物理組03光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難2024/9/1117物理組金屬原子原子核這表明金屬表面層內(nèi)存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。逸出功：要使電子脫離某種金屬，需要外界對(duì)它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功。2024/9/1118物理組幾種金屬的截止頻率和逸出功逸出功的大小取決于金屬的特性;不同種類的金屬，其逸出功的大小不相同.當(dāng)光照射金屬表面時(shí)，電子會(huì)吸收光的能量。若電子吸收的能量超過逸出功，電子就能從金屬表面逸出，這就是光電子。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。2024/9/1119物理組當(dāng)光照射金屬表面時(shí)，電子會(huì)吸收光的能量。若電子吸收的能量超過逸出功，電子就能從金屬表面逸出，這就是光電子。光電效應(yīng)經(jīng)典（光的電磁理論——光是電磁波）解釋：光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。①不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可以獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率；②光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以截止電壓Uc應(yīng)該與光的強(qiáng)弱有關(guān)；③如果光很弱，電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生光電流的時(shí)間?！獭?024/9/1120物理組04愛因斯坦的光電效應(yīng)理論2024/9/1121物理組光量子理論愛因斯坦在普朗克量子假說的基礎(chǔ)上，做了進(jìn)一步假設(shè)，建立起光電效應(yīng)理論。愛因斯坦認(rèn)為：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割能量子組成的。每一份稱為光量子，簡稱光子。光子的能量：E=hν2024/9/1122物理組

愛因斯坦的光電效應(yīng)理論愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量hv后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：逸出功光子能量最大初動(dòng)能2024/9/1123物理組

光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋⑴截止頻率的解釋hv>W0→產(chǎn)生光電效應(yīng)hv<W0→無光電效應(yīng)hv=W0→就是極限頻率（也叫極限頻率）光照射到金屬中的電子時(shí)，一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，也就是hv的能量。2024/9/1124物理組EK=hv-W0⑵遏止電壓的解釋eUc=hv-W0遏止電壓對(duì)某種金屬W0一定，遏止電壓Uc只與入射光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無關(guān)。

光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋2024/9/1125物理組⑷瞬時(shí)性的解釋對(duì)于同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多,

照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。⑶飽和電流的解釋到此為止光量子理論完美解釋了光電效應(yīng)的各種現(xiàn)象。電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。（每個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，同時(shí)吸收兩個(gè)光子的概率幾乎為零）。

光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋2024/9/1126物理組愛因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率v的關(guān)系。但是，很難直接測量光電子的動(dòng)能，容易測量的是截止電壓Uc。那么，怎樣得到截止電壓Uc與光的頻率v和逸出功W0的關(guān)系呢?EK=hv-W0eUc=hv-W02024/9/1127物理組

密立根驗(yàn)證光電效應(yīng)方程

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光子”理論的正確。2024/9/1128物理組白天的天空各處都是亮的；航天員在大氣外飛行時(shí)，盡管太陽的光線耀眼刺目，其他地方的天空卻是黑的，甚至可以看見星星。這是為什么？2024/9/1129物理組05康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量2024/9/1130物理組

康普頓效應(yīng)(一)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.2024/9/1131物理組1918~1922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了有與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。

康普頓效應(yīng)X射線λ＝λ0石墨體（散射物質(zhì)）λ=λ0λ>λ02024/9/1132物理組(二)康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：

康普頓效應(yīng)晶體

光闌X射線管探測器X射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j

0散射波長

2024/9/1133物理組康普頓正在測晶體對(duì)X射線的散射

康普頓效應(yīng)①根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。②無法解釋波長改變和散射角關(guān)系。2024/9/1134物理組光子模型解釋康普頓效應(yīng)：1.光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長λ和普朗克常量h有關(guān)：愛因斯坦質(zhì)能方程：光子能量：波長變長的解釋：P↓——

λ↑2024/9/1135物理組2.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋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。

②若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)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。

③因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。2024/9/1136物理組吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年，康普頓的學(xué)生，中國留學(xué)生吳有訓(xùn)參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作。1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，在同一散射角測量各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。

（1897-1977）吳有訓(xùn)2024/9/1137物理組06光的波粒二象性2024/9/1138物理組17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說牛頓惠更斯微粒說波動(dòng)說19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說的正確性由