第二节光的粒子性

第二节光的粒子性

一、学习目标

1．通过实验了解光电效应的实验规律。

2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。

3．了解康普顿效应，了解光子的动量

二、自主学习

1、光电效应现象

光电效应：在光的照射下物体发射的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做。

说明：(1)光电效应的实质是现象转化为现象。

(2)定义中的光包括可见光和不可见光。

2、光电效应实验规律

（1）．遏止电压：使光电流电压U。

称为遏止电压。

（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)。

注意：不同的金属对应着的极限频率。

（3）．逸出功：电子从金属中逸出所需做功的值，叫做该金属的逸出

功。

（4）光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间<10-9s。

3、爱因斯坦光电效应方程

（1）．光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做

一个光量子，简称光子，光子的能量E=hν。

（2）．光电效应方程：

E k为，Wo为。

4、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，达有波长于λ。的成分，

这个现象称为康普顿效应。

注意：①在光的散射中，光于不仅具有能量，也

具有，在与其他微粒作用过程中遵守能量守恒

和动量守恒。

②光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性。

（3）；光子的动量：

5、光子的动量

根据狭义相对论可知：

E= ，m= 。

光子的能量E= ，

动量的定义p=mc= = 。

根据波长频率和波速关系公式c/v=λ，

所以说量子的动量为p= 。

式中h为普朗克常数，λ为光波的波长

三、要点分析

拓展点一：光电效应规律的理解

1．光电效应规律

(1)任何—种金属都有一个截止频率或极限频率ν。，入射光的频率大于ν。才能发生光电效应。

(2)光电子的最大初动能与入射光的强度关，只随入射光频率的增大而。

(3)光电效应的发生是瞬时的，不超过。

(4)发生光电效应时，入射光越强，饱和光电流越，逸出的光电子数越多，逸出电子的数目与入射光的强度成比。

2．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=nhv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产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电子数

拓展点二：经典波动理论与光电效应的矛盾

矛盾之一：光的能量与频率有关，而不像波动理论中应由振幅决定。

经典波动理论认为，光是一种电磁波，光的强度取决于振幅大小，振幅越大，光就越强；金属在光的照射下，其中的自由电子就会由于受到光的变化着的电磁场作用而做受迫振动。无论照射光的频率如何，只要光足够强，自由电子受迫振动的振幅就会足够大，电子的能量就会越来越大，最后电子就会克服金属内正电荷的束缚飞出金属表面，而成为光电子，即发生光电效应。

因此，按照经典电磁理论，金属能否发生光电效应应取决于光的强度，与光的频率无关，任何金属都不应存在极限频率，而实验事实却恰恰相反。

矛盾之二：光电效应产生的时间极短，电子吸收光的能量是瞬间完成的，而不像波动理论所预计的那样可能逐渐积累。

如果光的强度很微弱，则在光开始照射到光电子的发射之间有一个可测的滞后时间，在这段时间内电子应当从光束中不断吸收能量，一直到所积累的能够足够使它逸出金属表面为止。以逸出功约为2．0eV的钾为例，将一块钾薄片放在离单色光源3m远外，光源舶功率输出为1W，如果光源沿各个方向均匀辐射，则光束投射到一个半径为原子半径的圆面

积上的功率为(钾原子半径约为0．5x10—lO m)：P=7X10—23J/s。

假定通过圆面积的全部能量都被电子所吸收，则电子逸出表面所需的时间为t=4571s。

这显然与光电效应的瞬间性规律存在着严重的矛盾。

既然光电效应与传统的波动理论存在着如此巨大的矛盾，因此，这种理论不适用于微观粒子的运动。

拓展点三：光子说对光电效应规律的解释

1．由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份的吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为。如果光的频率低于极限频率，则光子提供电子的能量不是以克服原子的束缚，就不能发生光电效应。

2．当光子的频率高于极限频率时，能量传递给电子后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在。这样光电子的最大初动能Ek m=mv m2/2=hv—wo，其中wo为金属的逸出功，可见光的频率越高，电子的初动能越大。

3．电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间即挣脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的。

4．发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光子数目也就越多。

拓展点四：光电效应曲线

1．E km—v曲线

如图甲所示的是光电子最大初动能E km随入射光频率v的变化曲线。这里，横轴上的截距，是阴极金属的截止频率或极限频率；纵轴上的截距，是阴极金属的逸出功负值；斜率为普朗克常量。

2．I—v曲线

如图乙所示的是当电流I随光电管两极板间电压U的变化曲线，图中I m为饱和光电流，U c为遏止电压。