光电效应、光子

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第二章 波粒二象性
第一节 光电效应
[学习目标]
1.了解光电效应,掌握光电效应的实验规律. 2.知道光电流与光的强度和光的频率之间的关系. 3.理解极限频率和遏止电压的概念.
一、人类对光的本性认识的历史进程
微粒说:认为光是一种粒子 代表人物:牛顿
波动说:认为光是一种波 代表人物:惠更斯
光的电磁说:光是电磁波 提出者:麦克斯韦
压的增加而 减小 ,并且当反向电压达到某一数值时,光电流将会减小到
零,这时的电压称为 遏止电压 ,用符号U0表示,光电子到达阳极要克 服反向电场力做的功W= eU0 .光电子最大初动能 12mvmax2= eU0 . 2.光电子的最大初动能只与入射光的 频率 有关.
[即学即用] 判断下列说法的正误. (1)遏止电压是反向电压,其作用是阻碍电子的运动.( √ ) (2)光电管加反向电压时,电压越小,光电流也越小.( × ) (3)遏止电压与入射光的强度有关,与入射光的频率无关.( × )
转.当带负电的小球与锌板接触后,中和了一部分正电荷,从而使验电器
的指针偏角减小.
(2)使验电器指针回到零,再用相同强度的钠灯发 出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转.那么,若 改用强度更大的红外线灯照射锌板,可观察到验电 器指针_无__(填“有”或“无”)偏转.
解析 使验电器指针回到零,用钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无 偏转,说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率,而红外线比黄光的 频率还要低,更不可能使锌板发生光电效应.能否发生光电效应与入射光的 强弱无关.
2.光电流大小的决定因素:当入射光频率ν>ν0时,光电流随入射光强度 的增大而增大.
3.光电子的最大初动能: 光电子的最大初动能Ekm与入射光强度无关,只随入射光频率的增大而 增大 .
4.光电效应的发生时间:几乎是瞬时发生的(时间一般不超过10-9 s)
第二章 波粒二象性
第二节 光 子
[学习目标]
立.eU0 等于光电子的最大初动能.
(2)在图中,利用蓝光照射,加反向电压,逐渐增大电压,直至光电流恰 好为零,记录遏止电压的值.改变入射光强度,记录的遏止电压的值有什 么特点?答案 不变. (3)维持光源强度不变,改变入射光的频率.先采用蓝光 作为入射光,记录遏止电压值;再换绿光作为入射光, 记录遏止电压值.有什么现象? 答案 绿光作为入射光时遏止电压较小.
读数为零.由此可知阴极材料的逸出功为
A√.1.9 eV
B.0.6 eV
图3
C.2.5 eV
D.3.1 eV
解析 由题意知光电子的最大初动能为 12mvmax2=eU0=0.6 eV 所以根据光电效应方程12mvma2x=hν-W0 可得 W0=hν-12mvmax2=(2.5-0.6) eV=1.9 eV.
19世纪末,麦克斯韦的 电磁理论完美地解释了光的 波动现象,光的电磁说得到 了广泛的认同。
但赫兹在通过实验证实 了电磁理论的同时,也发现 了一个用电磁理论无法解释 的现象--光电效应。
二、光电效应
[知识梳理] P28
1.金属在光(包括可见和不可见光)的照射下 发射电子的现象叫做光电效应。
2.发射出来的电子叫做光电子。
五、经典电磁理论解释的局限性(P32)
电磁理论遇到困难
• 为什么说光的波动理论无法解释光电效应的 规律?
• 从光电效应的发生过程来看,电子吸收入射 光能量后才能挣脱原子核的束缚,所以我们 应从能量的角度来分析光电效应.光的波动 理论是这样描述光的能量的:
• (1)能量是连续的; • (2)振幅(光强)越大,光能越大,光的能
(2)将光的强度保持不变,更换滤色片以改变入射 光的频率(以蓝光、绿光、红光为例),光电流有什 么变化?这说明什么问题? 答案 在光的强度保持不变时,蓝光和绿光照射时都 有光电流产生,而红光照射时没有,即使增大红光的 强度依然没有光电流.这说明对于某种金属只有光的频 率足够大,才能发生光电效应.如小于某个频率值,光 再强也不能发生光电效应.
量与频率无关.
光电效应与光的电磁理论的矛盾
矛盾一:按照光的波动理论,不论光的频率如何,只要照射时间足够 长或入射光的强度足够大,就可以产生光电效应。
光电效应的实验结果表明:只有入射光的频率v大于或等于该金属的 极限频率v0时,才能发生光电效应。
矛盾二:根据能量的观点,电子要从物体中飞出,必须具有一定的能 量,而这一能量只能来源于入射光的能量。 光电效应的实验结果表明:逸出的光电子的能量与入射光的强度无关, 只取决于入射光的频率.
因为发光功率已知,所以1 s内发射的光子数为 n=Pε·t=138.1×4×101-03×-191个≈5.73×1016 个.
例3 如图3所示,当开关K断开时,用光子能量为2.5 eV
的一束光照射阴极P,发现电流表读数不为零.合上开关,
调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.6 V时,电流表
读数仍不为零.当电压表读数大于或等于0.6 V时,电流表
2.对光电效应方程的理解:光电效应方程实质上是能量守恒方程. (1)能量为ε=hν的光子被电子所吸收,电子把这些能量的一部分用来克 服金属内部电子对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能. (2)如果克服吸引力做功最少为 W0,则电子离开金属表面时动能最大为 12mvmax 2,根据能量守恒定律可知:12mvmax 2=hν-W0. 其中:W0为金属的逸出功,大小由金属本身决定。
(× )
四、光电效应的解释
[知识梳理] 光电效应的解释
1.光电效应方程说明了产生光电效应的条件.
若有光电子逸出,则光电子的最大初动能必须大于或等于零,即12mvma2x =
W0
W0
hν-W0≥0,亦即 hν≥ W0 ,ν≥ h =ν0,而 ν0= h 恰好是光电效应的
极限频率.
W0=hν0
例2 某激光器发射波长为6.328×10-7 m的单色光,试计算这种光的一个 光子的能量为多少?若该激光器的发光功率为18 mW,则每秒钟发射多少 个光子?(h=6.63×10-34 J·s) 答案 3.14×10-19 J 5.73×1016个 解析 根据爱因斯坦光子学说,光子能量ε=hν,而c=λν, 所以 ε=hλc=6.63×6.31208-×34×103-×7 108 J≈3.14×10-19 J
(4)综合上面的分析,关于光电子的最大初动能与入射光频率, 能得出什么结论?
答案 遏止电压只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关.而遏止 电压对应光电子的最大初动能,也就是说其最大初动能也只与入射光的频 率有关.
[知识梳理] 遏止电压(P 31)
1.定义:在强度和频率一定的光照射下,回路中的光电流会随着反向电
猜想: 可能与入射光的强度和频率有关
可能与外加电压有关
实验装置如图1所示.
实验方法: 控制变量法
光源强度可以通过改变光罩上出射孔的数目或大
图1
小来改变,光的频率可以用不同的滤色片来改变.
(1)在频率不变(保持蓝光不变)的情况下,改变
入射光的强度,光电流的大小如何变化?
答案 在频率不变时,随着光强的增加,光电流逐渐变大.
小结:处理光电效应的问题
1.定性分析: (1)光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大; (2)光的频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大.
2.定量计算:
(1)爱因斯坦光电效应方程: hν=12mvma2x+W0
(2)最大初动能与遏止电压的关系:
1 2
m
vm2 ax
eU 0
(3)逸出功与极限频率的关系: W0=hν0
3.单位时间内发射的光电子数目跟入射光的强度成正比,即光电流 随入射光强度的增大而增大。
1、当入射光一定时,光电流随加速电压增大而增大,但 光电流增大到一定时,就不再变化。此时该电流大小叫 饱和光电流。
2、产生光电效应后,增加照射光的强度,饱和光电流增 大。
[即学即用] 判断下列说法的正误. (1)只要光足够强,任何频率的光都可以使金属发生光电效应.( × ) (2)能否发生光电效应,取决于入射光的频率,与光的强度无关.( √ ) (3)发生光电效应时,单位时间内发出的光电子数越多,光电流越强.
二、光子假说
[知识梳理] P33 1.爱因斯坦指出,光的能量不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做 一个 光子 ,一个 光子 的能量为ε= hν . 2.光子概念是 量子思想的一个质的飞跃,可以完美解释 光电效应 的各 种特征.
三、光电效应方程
1.表达式: hν=12mvmax2+W0 或 12mvmax2=hν-W0.
[即学即用] 判断下列说法的正误. (1)从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小.
(× ) (2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比.( × ) (3)入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的 光电子越多.( √ ) (4)用同一种色光照同一种金属 ,发出的所有光电子的初动能都相同.
矛盾三:光的强度足够大,电子就能获得足够的能量,电子就能逸出金 属表面,电子能量增加应该有一个时间积累过程,电子才能逸出金属表 面。 光电效应的实验却表明:入射光的照射和光电子的逸出几乎是同时的。 即光电效应发生的时间极短,一般不超过10-9s 。
小结:光电效应的实验规律
1.产生光电效应的条件: 任何一种金属,都存在极限频率ν0,只有当入射光频率ν≥ν0时,才能发 生光电效应.
(√ )
四、遏止电压
[导学探究] (1)如图2所示是测量遏止电压的示
意图,利用它可测量光电子的最大初动能.
①光电管两极加的是什么电压?有何作用?
答案 反向电压 使光电子减速
②当反向电压增大时,光电流怎么变化?
答案 减小
③怎样求得光电子的最大初动能?
图2
答案 当光电流恰好为零,所加的反向电压为 U0 时,有 eU0=12mvma2x成
疑问:光电子的发射与什么因素有关呢?为了研 究这个问题,我们来认识一种光学器件。
光电管
1.光电管就是利用光电效应把光信号转变成电信号的一种传感器。 光电管主要是由密封在玻璃壳内的阴极和阳极组成,阴极表面涂 有束缚电子能力较弱的碱金属.
2.阴极发出的光电子被阳极收集,在回路中会形 成电流,称为光电流。
1.知道普朗克的能量量子假说. 2.知道爱因斯坦的光子说以及光子能量的表达式. 3.知道爱因斯坦的光电效应方程以及对光电效应规律的解释.
一、能量量子假说
[知识梳理] P33 1.假说内容:物体热辐射所发出的电磁波的能量是 不连续的 ,只能是hν 的 整数倍 . 2.能量量子:hν 称为一个能量量子,其中ν是辐射频率,h是一个常量, 称为普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s. 3.假说的意义:能量量子假说能够非常合理地解释某些电磁波的 辐射 和 吸收 的实验现象. 4.量子化现象:在微观世界里,物理量的取值很多时候是不连续的,只 能取一些分立值的现象.
例1 一验电器与锌板相连(如图3所示),用一紫外
线灯照射锌板,关灯后,验电器指针保持一定偏角.
(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触,则验电器
指针偏角将_减__小__(填“增大”“减小”或“不变”).
图3来自百度文库
解析 当用紫外线灯照射锌板时,锌板发生光电效应,锌板放出光电子而
带上正电,此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电,故指针发生了偏
3.光电管的工作原理:为了把光电子尽可能多地 收集到阳极,以增强光电流,通常还在光电管 两极加上正向电压,如图所示,光电流在电阻 的两端产生电压Uab,随着光的强弱变化而变化。 这样,光电管就把光信号变成了电信号。
三、探究光电流的大小
[导学探究] 光电流的产生是光照射的结果.那么, 光电流的大小跟哪些因素有关呢?
(3)将入射光保持不变,改变光电管两端的电压,光电流有什么变化? 答案 光电流随加速电压增大而增大,但光电流增大到一定时,就不再变化。
1.当入射光的频率较低时,无论光多么强,照射时间多长,光电管 都不会发射光电子,不能产生光电流。
2.当入射光的频率刚好能使光电管产生光电流,这个频率称为极限 频率ν0,其对应的波长称为极限波长λ0。只有当光的频率大于或 等于金属的极限频率时才可以发生光电效应。
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