高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性学案新人教版选修3_5

2 光的粒子性1．光电效应现象(1)定义：在光的照射下，金属表面发射电子的现象，叫光电效应。

发射出来的电子叫光电子。

(2)理解：①光电效应的实质是光现象转化为电现象。

②入射光既可以是可见光，也可以是不可见光。

③使锌板发生光电效应的光是弧光灯发出的紫外线。

【例1】如图所示，一静电计与锌板相连，在A处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角。

(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则静电计指针偏角将________(选填“增大”“减小”或“不变”)。

(2)使静电计指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，静电计指针无偏转，那么，若改用强度更大的红外线照射锌板，可观察到静电计指针________(选填“有”或“无”)偏转。

解析：(1)锌板在紫外线照射下，发生光电效应现象，有光电子飞出，锌板带正电，将一带负电的金属小球与锌板接触，将锌板上的正电荷中和一部分，锌板正电荷减少，则静电计指针偏角将变小。

注意，静电计与锌板带同种电荷。

(2)要发生光电效应现象，照射光的频率必须高于这种金属的截止频率，而与照射光的强度无关。

用黄光照射，静电计指针无偏转，即不能发生光电效应现象；当改用强度更大的红外线照射时，因为红外线的频率比黄光低，所以用红外线照射更不能发生光电效应现象，静电计指针无偏转。

答案：(1)减小(2)无2．光电效应的规律(1)实验装置及电路，如图所示(2)几个概念①饱和电流：在光照条件不变时，电流随电压升高而增大到的最大值(I m)。

②遏止电压：使光电流减小到0时的反向电压(U c)。

③截止频率：使某种金属发生光电效应的最小频率。

又叫极限频率(ν0)。

不同金属截止频率不同。

(3)光电效应的实验过程与结果①在入射光的强度与频率不变的情况下，I –U 的实验曲线如图所示。

曲线表明，当加速电压U 增加到一定值时，光电流达到饱和值I m 。

这是因为单位时间内从阴极K 射出的光电子全部到达阳极A 。

若单位时间内从阴极K 上逸出的光电子数目为n ，则饱和电流I m ＝ne 。

式中e 为电子电荷量，另一方面，当电压U 减小到零，并开始反向时，光电流并没降为零，这就表明从阴极K 逸出的光电子具有初动能。

所以尽管有电场阻碍它运动，仍有部分光电子到达阳极A 。

但是当反向电压等于U c 时，就能阻止所有的光电子飞向阳极A ，使光电流降为零，这个电压是遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A 。

如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能根据遏止电压U c 来确定电子的最大速度v m 和最大动能，即E k ＝12mv 2m ＝eU c ②在用相同频率不同强度的光去照射阴极K 时，得到的IU 曲线如图所示。

它显示出对于不同强度的光，U c 是相同的。

这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的。

并且，入射光越强，饱和电流越大。

③用不同频率的光去照射阴极K 时，实验结果是：频率愈高，U c 愈大，如图甲；并且ν与U c 成线性关系，如图乙。

频率低于ν0的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此，ν0称为截止频率。

④在发生光电效应的情况下，光照和光电流的产生几乎是瞬时的。

(4)光电效应的实验规律①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须高于这个极限频率才能产生光电效应。

低于极限频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应现象。

②光电子最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。

③入射光照射到金属上时，光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s 。

④当入射光的频率高于极限频率时，光电流的大小与入射光的强度成正比。

【例2】 一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法中正确的是( )A ．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加B ．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子最大初动能增加C ．若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应D ．若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加3.爱因斯坦的光电效应方程(1)光电效应与经典电磁理论的三大矛盾①波动理论认为：光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅所决定的，跟频率无关。

①光子说：爱因斯坦于1905年提出，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即ε＝h ν，式中h 叫普朗克常量。

(h ＝6.63×10－34J·s)。

②光电效应方程：E k ＝h ν－W 0其中E k 是光电子的最大初动能。

W 0是逸出功，电子从金属中逸出所需做功的最小值。

(3)光子说对光电效应的解释①光照射金属时，电子吸收一个光子(形成光电子)的全部能量后，动能立即增大，不需要积累能量的过程。

②电子从金属表面逸出，须克服金属原子核的引力做功(逸出功W 0)故入射光子的能量应不小于W 0其对应的频率νc ＝W 0h，即截止频率。

③电子吸收光子的能量h ν后，一部分消耗于从金属内部到表面运动时克服其他原子阻碍做功(即W ′)，剩余部分转化为初动能，即12mv 2＝h ν－W 0－W ′。

④入射光越强，单位时间内入射到金属表面的光子数越多，产生的光电子越多，射出的光电子做定向移动时形成的光电流越大。

【例3】 已知金属铯的极限波长为0.66 μm ，用0.50 μm 的光照射铯金属表面，发射光电子的最大初动能为多大？铯金属的逸出功为多少？解析：极限波长即为极限频率对应的波长，满足c ＝λ0ν0铯的逸出功为W 0＝h ν0＝h cλ0将c ＝3×108 m/s ，h ＝6.63×10－34 J·s，λ0＝0.66×10－6 m ，代入上式可得W 0＝3×10－19 J根据光电效应方程可知，当用波长为λ＝0.50 μm 的光照射金属铯时，光电子的最大初动能为E k ＝h ν－W 0＝h c λ－W 0＝(6.63×10－34×3×1080.50×10－6－3×10－19)J ＝9.8×10－30 J 。

答案：9.8×10－30 J 3×10－19 J4．康普顿效应(1)光的散射：由于光在介质中与物质微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的现象，叫做光的散射。

(2)康普顿效应：在光的散射中，除有与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。

(3)理解：①在光的散射中，光子不仅具有能量，也具有动量，在与其他微粒作用过程中遵守能量守恒定律和动量守恒定律。

②光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性。

(4)光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似。

按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量E＝hν，而且还有动量。

如图所示，这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由hν减小为hν′，因此频率减小，波长增大。

同时，光子还使电子获得一定的动量。

这样就圆满地解释了康普顿效应。

【例4】白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳散射的结果，美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖。

假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子相互碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比( )A．频率变大B．速度变小C．光子能量变大D．波长变长解析：光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后其动量、能量增加，所以光子的能量减小，由ε＝hν可知光子频率变小，波长变长，故D正确。

由于光子速度是不变的，故B错误。

答案：D5．光子的动量(1)光子的动量：p＝h/λ。

(2)理解：由E＝hν和p＝h/λ可知，不连续的光，其能量与动量都用描述波的物理量来描述，即光不仅表现出粒子性，同时也表现出波动性。

【例5】若一个光子的能量等于一个电子的静能量，试问该光子的动量和波长分别是多少？在电磁波谱中它属于何种射线？(提示：电子静能量为E＝mc2)解析：一个电子静能量为mc2，按题意p＝mc＝2.732×10－12kg·m/s。

光子的波长λ＝h/p＝2.43×10－12 m。

因电磁波谱中γ射线的波长在1 nm以下，所以该光子在电磁波谱中属于γ射线。

答案：2.732×10－12kg·m/s 2.43×10－12 m γ射线6．对光电效应的理解(1)入射光的强度：指单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子的总能量，是由入射光子数和入射光子的频率决定的。

可用p＝nhν表示，其中n为单位时间内的光子数。

(2)在入射光频率不变的情况下，光的强度与单位时间内照射到金属表面上单位面积的光子数成正比。

(3)对于不同频率的入射光，即使光的强度相等，在单位时间内照射到金属单位面积的光子数也不相同，从金属表面逸出的光电子数不同，形成的光电流不同。

(4)饱和光电流：指光电流的最大值(即饱和值)，在光电流未达到最大值之前，因光电子尚未全部形成光电流，所以光电流的大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，电压越大，被吸引变成光电流的光电子越多。

(5)饱和光电流与入射光的强度成正比；在入射光频率不变的情况下，光电流的最大值与入射光的强度成正比。

原因是在高电压下光电子个数决定了光电流大小，而电子个数决定于入射光强度。

“频率高，光子能量大，光就强，产生的光电流也强”“光电子的初动能大，电子跑得快，光电流就强”等说法均是错误的。

总之，在理解光电效应规律时应特别注意以下几个关系：照射光频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时光电子的最大初动能；照射光强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。

7．对爱因斯坦光电效应方程的理解(1)式中E k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～E k范围内的任何数值。

(2)光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率ν呈线性关系(注意不是正比关系)，与光强无关。

(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即E k＝hν－W0＞0，亦即hν＞W0，ν＞W0 h ＝ν0，而ν0＝W0h就是金属的极限频率。

(4)光电效应方程实质上是能量守恒方程。

(5)逸出功W：电子从金属中逸出所需要的克服束缚而消耗的能量的最小值。

光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少。

【例6－1】下列对光电效应的解释正确的是( )A．金属内的每个电子能吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属发生光电效应的入射光的最低频率也不同释疑点光电效应常常错误地认为金属内的每个电子可以吸收多个光子，从而积蓄能量，最终逸出金属。