光电效应
一．对光电效应实验规律，方程以及图像的考查
1.光电效应现象
光电效应：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做.
2.光电效应规律
(1)每种金属都有一个.
(2)光子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大.
(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是的.
(4)光电流的强度与入射光的成正比.
(1)光子说：空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子.光子的能量为ε＝hν，其中h是普朗克常量，其值为6.63×10－34 J·s.
(2)光电效应方程：.
其中hν为入射光的能量，E k为光电子的最大初动能，W0是金属的逸出功.
4.遏止电压与截止频率
(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U c.
(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率).不同的金属对应着不同的极限频率.
(3)逸出功：电子从金属中逸出所需做功的，叫做该金属的逸出功.
1.1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文，其中关于光量子的理论成功的解释了光电效应现象.关于光电效应，下列说法正确的是（AD ）
A.当入射光的频率低于极限频率时，不能发生光电效应
B.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
C.光电子的最大初动能与入射光的强度成正比
D.某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效
应
2.用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度则
A.逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变
B.逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小
C.逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小
D.光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了
3.关于光电效应的规律，下列说法中正确的是(D)
A.只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生
B.光电子的最大初动能跟入射光强度成正比
C.发生光电效应的反应时间一般都大于10－7 s
D.发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比
4.如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5).由图可知(AC)
A.该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
B.该金属的截止频率为5.5×1014 Hz
C.该图线的斜率表示普朗克常量
D.该金属的逸出功为0.5 eV
5.在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为______.若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为______.已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h.
答案hc
λ0
hc(λ0－λ)
eλ0λ
6.小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图4甲所示.已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，结果保留三位有效数字.
(1)图甲中电极A为光电管的______(填“阴极”或“阳极”)；
(2)实验中测得铷的遏止电压U c与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc＝____Hz，逸出功W0＝________J；
(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能E k＝________J.答案：(1)阳极
(2)5.15×1014(5.10×1014～5.20×1014均可) 3.41×10－19(3.38×10－19～3.45×10－19均可)
(3)1.23×10－19(1.19×10－19～1.26×10－19均可)
7. 研究光电效应的电路如图5所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流.下列光电流I 与A、K之间的电压U AK的关系图象中，正确的是___C_____.
8.当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时 ( C )
A.锌板带负电
B.有正离子从锌板逸出
C.有电子从锌板逸出
D.锌板会吸附空气中的正离子
9. 以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个 光子而从金属表面逸出.强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属， 由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电
效应，这已被实验证实.
光电效应实验装置示意图如图7所示.用频率为ν的普通光源照射阴极
K ，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K ，则发生
了光电效应；此时，若加上反向电压U ，即将阴极K 接电源正极，阳
极A 接电源负极，在K 、A 之间就形成了使光电子减速的电场.逐渐增
大U ，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U
可能是下列的(其中W 为逸出功，h 为普朗克常量，e 为电子电量)( B )
A.U ＝hνe －W e
B.U ＝2hνe －W e
C.U ＝2hν－W
D.U ＝5hν2e －W e
10. 如图8所示，用a 、b 两种不同频率的光分别照射同一金属板，发
现当a 光照射时验电器的指针偏转，b 光照射时指针未偏转，以下说
法正确的是( D )
A.增大a 光的强度，验电器的指针偏角一定减小
B.a 光照射金属板时验电器的金属小球带负电
C.a 光在真空中的速度大于b 光在真空中的速度
D.a 光在真空中的波长小于b 光在真空中的波长
11.如图所示的实验电路，当用黄光照射光电管中的金属涂层时，毫安表的指针发
生了偏转.若将电路中的滑动变阻器的滑片P 向右移动到某一位置时，毫安表的读 数恰好减小到零，此时电压表读数为U .若此时增加黄光照射的强度，则毫安
________(选填“有”或“无”)示数.若改用蓝光照射光电管中的金属涂层，则毫安 表________(选填“有”或“无”)示数.答案 无 有
12.光电效应实验中，下列表述正确的是( CD )
A.光照时间越长光电流越大
B.入射光足够强就可以有光电流
C.遏止电压与入射光的频率有关
D.入射光频率大于极限频率时才能产生光电子
13.光电效应的实验结论是：对于某种金属( AD )
A.无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应
B.无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应
C.超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小
D.超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大
14.入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，下列说法中正确的是( D )
A.有可能不发生光电效应
B.从光照射到金属表面上至发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
C.逸出的光电子的最大初动能将减小
D.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
15.对光电效应的理解正确的是 ( BD )
A.金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，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，入射光的最低频率也不同
16.如图1是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能E k 与入射光频率ν的关系图象.由图象可知( ABC )
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hνc
C.入射光的频率为2νc 时，产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为νc 2时，产生的光电子的最大初动能为E 2
17.用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子的最大初动能E k 随入射光频率ν变化的E k —ν图象.已知钨的逸出功是3.28 eV ，锌的逸出功是3.34 eV ，若将二者的图线画在同一个坐标图中，以实线表示钨，虚线表示锌，如图所示，则正确反映这一过程的图象是 ( A )
18.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图2所示，则可判断出( B )
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.乙光的频率大于丙光的频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
19.如图3所示是光电管的原理图，已知当有波长为λ0的光照到阴极K上时，电路中有光电流，则( B )
A.若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流
B.若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K时，电路中一定有光电流
C.增加电路中电源电压，电路中光电流一定增大
D.若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生
12.2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发
明了电荷耦合器件(CCD)图象传感器.他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理.如图4所示电路可研究光电效应规律.图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极.理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来指示光电管两端的电压.现接通电源，用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，电流计中有示数；若将滑动变阻器的滑片P 缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0 V；现保持滑片P位置不变，光电管阴极材料的逸出功为______，若增大入射光的强度，电流计的读数______(选填“为零”或“不为零”).
答案 4.5 eV为零
13.现有a、b两种单色光，其波长关系为λa>λb，用a光照射某种金属时，恰好发生光电效应.则：
(1)用b光照射该金属时，________发生光电效应；(填“能”或“不能”)
(2)增加a光的强度，释放出光电子的最大初动能________增大.(填“会”或“不会”)
答案(1)能(2)不会
二、光的波粒二象性，物质波
光既具有波动性，又具有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：(1)个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性.
(2)频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，而贯穿本领越强.
(3)光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时，往往表现为粒子性.
1、关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是(D)
A.不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
B.运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道
C.波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的
D.实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
2.用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图3所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片.这些照片说明(D)
A.光只有粒子性没有波动性
B.光只有波动性没有粒子性
C.少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性
D.少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性
3.下列说法正确的是(C)
A.有的光是波，有的光是粒子
B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D.γ射线具有显著的粒子性，而不具有波动性
4.物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度.使光子只能一个一个地通过狭缝.实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹.对这个实验结果下列认识正确的是(BCD)
A.曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点
B.单个光子的运动没有确定的规律
C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
D.只有大量光子的行为才表现出波动性
(整理)5光电效应实验.
光电效应实验 一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。 实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P 的单色光照射到光电管阴极K 时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A 迁移，在回路中形成光电流。 图1 实验原理图 图2 光电管同一频率不同光强的 伏安特性曲线 用实验得到的光电效应的基本规律如下： 1、 光强P 一定时，改变光电管两端的电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得 出光电管的伏安特性曲线。随AK U 的增大，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和 光电流m I 的大小与入射光的强度P 成正比。 2、 当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对 应的反向电压值，被称为截止电压U 0（图2）。这表明此时具有最大动能的光 电子刚好被反向电场所阻挡，于是有 0202 1eU mV =（式中m 、V 0、e 分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 3、 改变入射光频率ν时，截止电压U 0随之改变，0U 与ν成线性关系（图4）。实 验表明，当入射光频率低于0ν(0ν随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光 的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
图3光电管不同频率的伏安特性曲线 图4截止电压U 0与频率ν的关系 4、光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0ν，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过910-秒。 经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为ν的光子具有能量ν=h E ，h 为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量νh ，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： A mV hv +=2021 （2） 式中，A 为金属的逸出功，202 1mV 为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大。光子的能量A h 0<ν时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是h A 0=ν。 将（2）式代入（1）式中可得： A h eU 0-ν= （3） )(00v v e h U -= 此式表明截止电压0U 是频率ν的线性函数。只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h 和截止频率0ν。基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921
内外光电效应
光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化,这类光致电变的现象统称为光电效应。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。 一、外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hvh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。 根据能量守恒定理 E=hv-W 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。 二、内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。 1 光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 2 光生伏特效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。 ①垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hf≧Eg，使价带中的电子跃迁到导 带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴 偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。 ②侧向光电效应（丹培效应）当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生 电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起 载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负 电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。 ③光电磁效应半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场 的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的 霍尔效应。④贝克勒耳效应是指液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液 中的两个同样电极中的一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒 耳效应。感光电池的工作原理基于此效应。 三、应用 1制造光电倍增管 光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式： 光子能量 = 移出一个电子所需的能量+ 被发射的电子的动能代数形式： hf=φ +Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是
光电效应
光电效应 在近代物理学中，光电效应验证了光的量子性。1905年爱因斯坦在普朗克量子假设的基础上圆满地解释了光电效应，约十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。今天光电效应已经广泛地应用到各个科技领域。利用光电效应制成的光电器件如光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和科技领域中不可缺少的器件。 一. 实验目的 1. 了解光电效应的基本规律，加深对光量子性的理解。 2. 了解光电管的结构和性能，并测定其基本特性曲线。 3. 验证爱因斯坦光电效应方程，测定普朗克常数。 二. 实验仪器 光电管、光源、滤色片、微电流计、电压表、滑线电阻、直流电源、开关和导线等。 三. 实验原理 1. 光电效应及其规律 在一定频率的光的照射下，电子从金属（或金属化合物）表面逸出的现象称为光电效应，从金属（或金属化合物）表面逸出的电子称为光电子。研究光电效应的电路图如图3-19-1所示。实验表明光电效应有如下规律： (1)只有当入射光频率大于某一定值时，才会有光电子产生，若光的频率低于这个值，则无论光强度多大，照射时间多长，都不会有光电子产生。即光电效应存在一个频率阈值υ0，称为截止频率。 （2）光电子的多少与光的强度有关，即饱和光电流I H 与入射光的光强成正比。如图3-19-2所示，I ～U 曲线称为光电管伏安特性曲线，曲线（2）的光强是曲线（1）光强的一半。 (3) 光电子的动能（2 21mv ）与入射光的频率υ成正比， 与光强无关。实验中反映初动能大小的是遏止电位差U a 。在 图3-19-1电路中，将光电管阳极与阴极连线对调，即在光 电管两极间加反向电压，则K 、A 间的电场将对阴极逸出的 电子起减速作用，若反向电压增加，则光电流I 减小，当反 向电压达到U a 时，光电流为零（如图3-19-2所示），此时电 场力对光电子所作的功eU a 等于光电子的初动能2 21mv ，即 2 21mv eU a ，U a 称为遏止电位差。以不同频率υ的光照射 时，U a ～υ关系曲线为一直线，如图3-19-3所示。 光电效应的这些实验规律，用光的电磁波理论不能作出圆满的 解释。 1905年爱因斯坦提出了一个著名的理论——光量子理论，成功 地解释了光电效应现象。他认为一束频率为υ的光是一束以光 速c 运动的、具有能量hv 的粒子流。这些粒子称为光量子，简 称光子。h 为普朗克常数。 图3-19-1 光电效应实验电路图