6-2 光電效應(yīng)課件 高中物理新教科版選擇性必修第三冊(cè)（2022~2023學(xué)年）

第六章波粒二象性新教科版高中物理選擇性必修第三冊(cè)第2節(jié)光電效應(yīng)思考與討論:

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？觀察實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：光電效應(yīng)：當(dāng)光照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。

用紫外線燈照射后，驗(yàn)電器張開的指針夾角會(huì)變小,說明鋅板帶的負(fù)電荷變少了。這意味著，紫外線會(huì)讓電子從鋅板表面逸出。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

（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！1.存在截止頻率（2）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)。2.存在飽和電流（2）在光的顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。（1）光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱截止電壓。3.存在遏止電壓（2）對(duì)于一定顏色(頻率)的光,無論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的;光的頻率

改變，遏止電壓也會(huì)改變。（3）光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。

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極限頻率，幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流。即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。4.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

人們知道，金屬中原子外層的電子會(huì)脫離原子而做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。但在溫度不很高時(shí)，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢？思考與討論:

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。二、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。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光的經(jīng)典電磁理論無法解釋的光電效應(yīng)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2.光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。1.不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。3.如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需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。二、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難1.光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論2.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：——光電子最大初動(dòng)能

三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論3.光電效應(yīng)的Ek-ν圖像：①斜率k=h（普朗克常數(shù)）②橫截距νc（極限頻率）③縱截距為－W0（逸出功的負(fù)值）4.愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋①這個(gè)方程表明，只有當(dāng)hν>W0時(shí)，光電子才可以從金屬中逸出，

就是光電效應(yīng)的截止頻率。③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。④對(duì)于同種顏色（頻率相同）的光，光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論②這個(gè)方程還表明，光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率ν有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。這就解釋了遏止電壓與光強(qiáng)無關(guān)。思考與討論：

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(cè)量光電子的動(dòng)能，容易測(cè)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?某金屬的Uc-v圖像EK=hv-W0（2）由于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。5.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證（1）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“光量子”理論的正確。（3）光電效應(yīng)顯示了：光子和其他粒子一樣，也具有能量，光具有粒子性。三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量1.光的散射：光束通過某些介質(zhì)時(shí)，可以看到光的散射現(xiàn)象。2.康普頓效應(yīng)

1923年康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(guān)，而與入射線波長和散射物質(zhì)都無關(guān)。這種波長改變的散射稱為康普頓效應(yīng)。3.經(jīng)典理論無法解釋康普頓效應(yīng)。

經(jīng)典理論認(rèn)為：物質(zhì)中的電子會(huì)隨入射光以相同的頻率振動(dòng)，并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無法解釋有Δλ存在的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。X-ray

四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量3.光子模型：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：E=hν四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量4.光子模型解釋康普頓效應(yīng)（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)。四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量5.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)。（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)。（3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。五、光的波粒二象性1.人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)牛頓的微粒說惠更斯和托馬斯楊的波動(dòng)說麥克斯韋的電