光的粒子性讲解
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2 光的粒子性
光的粒子性
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KEQIAN YUXI DAOXUE
课堂合作探究
KETANG HEZUO TANJIU
学习目标 重点难点
1.认识光电效应现象,能说出光电效应的实验规律。 2.能用爱因斯坦光电效应方程对光电效应作出解释,会用光电效应 方程解决一些简单的问题。 3.能说出康普顿效应及其意义。 重点:光电效应的实验规律。 难点:爱因斯坦光电效应方程的应用。
[思路点拨]本题考查光电效应中光的频率及光强对实验现象的影 响,解答本题必须掌握光电效应的实验规律。光强的定义为“垂直于光 的传播方向上单位面积上单位时间内通过的光的能量”,其单位是 “J/(m2·s)”,光强的大小只有在发生了光电效应时才对光电流起作用。 光的频率决定光子能量的大小,当光子的频率达到一定数值时,光子的 能量被电子吸收,使电子足以克服金属原子的束缚而成为光电子并被 发射出去,由此可以看出,光的频率决定了是否能够发生光电效应。
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4.波动理论在解释光电效应时,碰到了怎样的困难? 答案:
波动理论解释
光电效应的实验事实
困 难1
按照光的波动理论,不论入射光的频率是 多少,只要光强足够大,总可以使电子获 得足够的能量从而发生光电效应
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二、光电效应现象的解释 活动与探究
1.光电效应方程的实质是什么? 答案:光电效应方程的实质就是能量转化和守恒定律。
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如果光的频率小于金属的截 止频率,无论光强多大,都没 有光电效应发生
光强越大,电子可获得更多的能量,光电 困 子的最大初动能也应该越大,即出射电子 出射电子的初动能与光强无 难 2 的初动能应该由入射光的能量即光强来 关,与频率有关
决定
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困 光强大时,电子能量积累的时间就短;光 难 3 强小时,电子能量积累的时间就长
12me������������ 2=eUc。
当入射光的频率减小到某一数值 νc 时,即使不加反向电压,也没有 光电流产生,表明没有光电子了,νc 称为截止频率。
实验表明:光电子的能量与入射光的频率有关,而与入射光的强弱 无关,当入射光的频率低于截止频率时,不能发生光电效应。
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一、光电效应的实验规律 照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出,这种现象称 为光电效应现象。逸出的电子又称为光电子。
研究光电效应的电路图
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B.增大绿光照射强度,电路中的光电流可能会增大 C.改用比绿光波长大的光照射光电管阴极 K 时,电路中一定有光电 流 D.改用比绿光频率大的光照射光电管阴极 K时,电路中一定有光电 流
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2.对光电效应方程 Ek=hν-W0,你是如何理解的? 答案:(1)公式中的 Ek 是光电子的最大初动能,对某个光电子而言,其 离开金属时剩余动能大小可以是 0~Ek 范围内的任何数值。 (2)光电效应方程实质上是能量守恒方程。 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 克服金属表面对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。 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 Ek, 根据能量守恒定律可知: hν=W0+Ek。 (3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件。 若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即
答案:BD
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迁移训练 1(多选)如图所示, 电路中所有元件完好,但光照射到光电管上, 灵敏电流计中没有电流通过,其原因可能是
() A.入射光太弱 B.入射光波长太长 C.光照时间短 D.电源正负极接反 答案:BD 解析:入射光的波长太长,频率低于截止频率,不能产生光电效应,选
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2.实验规律之二——存在着遏止电压和截止频率 对光电管加反向电压,光电流可以减小到零,使光电流恰好减小为 零的反向电压称为遏止电压。不同频率的光照射金属产生的光电效应, 遏止电压是不同的。 遏止电压与光电子的初速度存在的关系:
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解析:光电管的阴极 K 涂有金属材料,与阴极相对应的是阳极 A,当 光照射到阴极 K 时,如果入射光的频率大于阴极材料的极限频率,就会 发生光电效应现象。有光电子从阴极 K 发出,由于 A、K 之间存在加速 电场,光电子在电场的作用下由 K 运动到 A,于是在回路中形成电流(光 电流)。本题在绿光照射下已经产生了光电流,增大光照的强度,有可能 影响光电流的大小,不能改变光电子出射时的最大初动能,所以 A 错 误,B 正确。换用其他频率或波长的光照射时,若其他光的频率比绿光的 大,则肯定可以产生光电流,若用比绿光波长大的光照射,则可能出现两 种情况,若此光的频率仍然大于这种阴极材料的极限频率,是可以产生 光电流的,反之则无光电流产生,所以 C 错误,D 正确。
综上所述,光子具有能量、质量、动量,表现出了粒子所有的特征。
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一、光电效应现象 活动与探究
1.光子与光电子是同一种物质吗? 答案:光子是指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电,光电子 是金属表面受到光照射时发射出来的电子,光子是光电效应的因,光电 子是果。 2.光电子的动能与光电子的最大初动能的区别是什么? 答案:光照射到金属表面时,电子吸收光子的能量,可能向各个方向 运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为 光电子的初动能;金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的 引力做功,才具有最大初动能。
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1.实验规律之一——存在饱和电流 在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流存在一个 饱和值。也就是在电流较小时随着电压的增大而增大,当电流增大到一 定值之后,即使电压再增大,电流也不会增大了。 实验表明入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。
三、康普顿效应和光子的动量 1.光的散射 光在介质中与物体微粒的相互作用,使光的传播方向发生改变的 现象。 2.康普顿效应 在光的散射中,除了与入射波长相同的成分外,还有波长更长的成 分。
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当入射光照射到光电管的阴 极时,无论光强怎样微弱,几 乎在一开始就产生了光电子
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迁移与应用
例 1 (多选)如图为光电管的工作 原理图。当用绿光照射光电管阴极 K 时,可以 发生光电效应,电路中有光电流。则以下说法中 正确的是( ) A.增大绿光照射强度,光电子最大初动能增大
Ek=hν-W0>0,亦即 hν>W0,ν>Wh0=νc,而 νc=Wh0恰好是金属的截止频率。
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3.康普顿效应的意义 (1)证明了爱因斯坦光子假说的正确性。 (2)揭示了光子不仅具有能量,还具有动量,进一步说明了光具有粒 子性。 (3)证实了微观粒子的单个碰撞事件中动量守恒和能量守恒定律仍 然成立。 4.光子的动量 根据爱因斯坦狭义相对论中的质能方程 E=mc2 和光子说 ε=hν,每
个光子的质量是 m=hc2ν,按照动量的定义,每个光子的动量是 p=hcν或 p=hλ。
(3)光强较大时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多, 因而饱和电流较大。
预习交流 2
光电效应中的“光”是否特指可见光? 答案:光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。
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3.爱因斯坦解释光电效应 (1)光电子的初动能与入射光的频率有关,与光强无关。只有 hν>W0
时,才有光电子逸出,νc=Wh0就是光电效应的截止频率。
(2)电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电 流几乎是瞬时的。
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3.什么是光电流和饱和光电流? 答案:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流。随着所 加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值就是饱和光电 流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。
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二、爱因斯坦的光电效应方程 1.光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,是不连续的,而且光本 身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为 ν 的光的能量子为 hν, 每一个光的能量子被称为一个光子,这就是爱因斯坦的光子说。 2.爱因斯坦光电效应方程 在光电效应中,金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 hν,这些 能量的一部分用来克服金属的逸出功 W0,剩下的表现为逸出的光电子 的初动能 Ek,公式表示为 Ek=hν-W0。
项 B 正确;电路中电源接反,对光电管加了反向电压,若该电压超过了遏 止电压,也没有光电流产生,选项 D 正确。
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光电效应实验规律可理解记忆:“放(放出光电子)不放,看光频(入射 光的截止频率);放多少(光电子),看光强(入射光的光强与光子数成正 比);(光电子的)最大初动能大小,看(入射光的)频率;要放瞬时放。”
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3.实验规律之三——光电效应具有瞬时性 当入射光的频率超过截止频率时,无论入射光强度怎么样,立刻就 能产生光电效应。精确测量表明,产生光电流的时间不超过 10-9 s。
预习交流 1
经典电磁理论为什么无法解释光电效应的瞬时性? 答案:光电效应的实验表明,入射光照射到金属上时,光电子的发射
几乎是瞬时的,一般不超过 10-9 s,也就是说,光电子的逸出不需要一个能 量的积累过程。按照经典电磁理论,一束光照到物体表面上时,它的能量 将分布在大量的原子上,电子从入射光中吸收能量后必须积累到足够 大,才能克服内部原子对它的引力逸出表面,这就必须花较长的时间,不 可能立即逸出。所以经典电磁理论无法解释光电效应的瞬时性。
光的粒子性
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学习目标 重点难点
1.认识光电效应现象,能说出光电效应的实验规律。 2.能用爱因斯坦光电效应方程对光电效应作出解释,会用光电效应 方程解决一些简单的问题。 3.能说出康普顿效应及其意义。 重点:光电效应的实验规律。 难点:爱因斯坦光电效应方程的应用。
[思路点拨]本题考查光电效应中光的频率及光强对实验现象的影 响,解答本题必须掌握光电效应的实验规律。光强的定义为“垂直于光 的传播方向上单位面积上单位时间内通过的光的能量”,其单位是 “J/(m2·s)”,光强的大小只有在发生了光电效应时才对光电流起作用。 光的频率决定光子能量的大小,当光子的频率达到一定数值时,光子的 能量被电子吸收,使电子足以克服金属原子的束缚而成为光电子并被 发射出去,由此可以看出,光的频率决定了是否能够发生光电效应。
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4.波动理论在解释光电效应时,碰到了怎样的困难? 答案:
波动理论解释
光电效应的实验事实
困 难1
按照光的波动理论,不论入射光的频率是 多少,只要光强足够大,总可以使电子获 得足够的能量从而发生光电效应
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二、光电效应现象的解释 活动与探究
1.光电效应方程的实质是什么? 答案:光电效应方程的实质就是能量转化和守恒定律。
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如果光的频率小于金属的截 止频率,无论光强多大,都没 有光电效应发生
光强越大,电子可获得更多的能量,光电 困 子的最大初动能也应该越大,即出射电子 出射电子的初动能与光强无 难 2 的初动能应该由入射光的能量即光强来 关,与频率有关
决定
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困 光强大时,电子能量积累的时间就短;光 难 3 强小时,电子能量积累的时间就长
12me������������ 2=eUc。
当入射光的频率减小到某一数值 νc 时,即使不加反向电压,也没有 光电流产生,表明没有光电子了,νc 称为截止频率。
实验表明:光电子的能量与入射光的频率有关,而与入射光的强弱 无关,当入射光的频率低于截止频率时,不能发生光电效应。
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一、光电效应的实验规律 照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出,这种现象称 为光电效应现象。逸出的电子又称为光电子。
研究光电效应的电路图
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B.增大绿光照射强度,电路中的光电流可能会增大 C.改用比绿光波长大的光照射光电管阴极 K 时,电路中一定有光电 流 D.改用比绿光频率大的光照射光电管阴极 K时,电路中一定有光电 流
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2.对光电效应方程 Ek=hν-W0,你是如何理解的? 答案:(1)公式中的 Ek 是光电子的最大初动能,对某个光电子而言,其 离开金属时剩余动能大小可以是 0~Ek 范围内的任何数值。 (2)光电效应方程实质上是能量守恒方程。 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 克服金属表面对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。 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 Ek, 根据能量守恒定律可知: hν=W0+Ek。 (3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件。 若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即
答案:BD
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迁移训练 1(多选)如图所示, 电路中所有元件完好,但光照射到光电管上, 灵敏电流计中没有电流通过,其原因可能是
() A.入射光太弱 B.入射光波长太长 C.光照时间短 D.电源正负极接反 答案:BD 解析:入射光的波长太长,频率低于截止频率,不能产生光电效应,选
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2.实验规律之二——存在着遏止电压和截止频率 对光电管加反向电压,光电流可以减小到零,使光电流恰好减小为 零的反向电压称为遏止电压。不同频率的光照射金属产生的光电效应, 遏止电压是不同的。 遏止电压与光电子的初速度存在的关系:
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解析:光电管的阴极 K 涂有金属材料,与阴极相对应的是阳极 A,当 光照射到阴极 K 时,如果入射光的频率大于阴极材料的极限频率,就会 发生光电效应现象。有光电子从阴极 K 发出,由于 A、K 之间存在加速 电场,光电子在电场的作用下由 K 运动到 A,于是在回路中形成电流(光 电流)。本题在绿光照射下已经产生了光电流,增大光照的强度,有可能 影响光电流的大小,不能改变光电子出射时的最大初动能,所以 A 错 误,B 正确。换用其他频率或波长的光照射时,若其他光的频率比绿光的 大,则肯定可以产生光电流,若用比绿光波长大的光照射,则可能出现两 种情况,若此光的频率仍然大于这种阴极材料的极限频率,是可以产生 光电流的,反之则无光电流产生,所以 C 错误,D 正确。
综上所述,光子具有能量、质量、动量,表现出了粒子所有的特征。
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一、光电效应现象 活动与探究
1.光子与光电子是同一种物质吗? 答案:光子是指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电,光电子 是金属表面受到光照射时发射出来的电子,光子是光电效应的因,光电 子是果。 2.光电子的动能与光电子的最大初动能的区别是什么? 答案:光照射到金属表面时,电子吸收光子的能量,可能向各个方向 运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为 光电子的初动能;金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的 引力做功,才具有最大初动能。
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1.实验规律之一——存在饱和电流 在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流存在一个 饱和值。也就是在电流较小时随着电压的增大而增大,当电流增大到一 定值之后,即使电压再增大,电流也不会增大了。 实验表明入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。
三、康普顿效应和光子的动量 1.光的散射 光在介质中与物体微粒的相互作用,使光的传播方向发生改变的 现象。 2.康普顿效应 在光的散射中,除了与入射波长相同的成分外,还有波长更长的成 分。
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当入射光照射到光电管的阴 极时,无论光强怎样微弱,几 乎在一开始就产生了光电子
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迁移与应用
例 1 (多选)如图为光电管的工作 原理图。当用绿光照射光电管阴极 K 时,可以 发生光电效应,电路中有光电流。则以下说法中 正确的是( ) A.增大绿光照射强度,光电子最大初动能增大
Ek=hν-W0>0,亦即 hν>W0,ν>Wh0=νc,而 νc=Wh0恰好是金属的截止频率。
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3.康普顿效应的意义 (1)证明了爱因斯坦光子假说的正确性。 (2)揭示了光子不仅具有能量,还具有动量,进一步说明了光具有粒 子性。 (3)证实了微观粒子的单个碰撞事件中动量守恒和能量守恒定律仍 然成立。 4.光子的动量 根据爱因斯坦狭义相对论中的质能方程 E=mc2 和光子说 ε=hν,每
个光子的质量是 m=hc2ν,按照动量的定义,每个光子的动量是 p=hcν或 p=hλ。
(3)光强较大时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多, 因而饱和电流较大。
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光电效应中的“光”是否特指可见光? 答案:光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。
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3.爱因斯坦解释光电效应 (1)光电子的初动能与入射光的频率有关,与光强无关。只有 hν>W0
时,才有光电子逸出,νc=Wh0就是光电效应的截止频率。
(2)电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电 流几乎是瞬时的。
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3.什么是光电流和饱和光电流? 答案:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流。随着所 加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值就是饱和光电 流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。
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二、爱因斯坦的光电效应方程 1.光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,是不连续的,而且光本 身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为 ν 的光的能量子为 hν, 每一个光的能量子被称为一个光子,这就是爱因斯坦的光子说。 2.爱因斯坦光电效应方程 在光电效应中,金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 hν,这些 能量的一部分用来克服金属的逸出功 W0,剩下的表现为逸出的光电子 的初动能 Ek,公式表示为 Ek=hν-W0。
项 B 正确;电路中电源接反,对光电管加了反向电压,若该电压超过了遏 止电压,也没有光电流产生,选项 D 正确。
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光电效应实验规律可理解记忆:“放(放出光电子)不放,看光频(入射 光的截止频率);放多少(光电子),看光强(入射光的光强与光子数成正 比);(光电子的)最大初动能大小,看(入射光的)频率;要放瞬时放。”
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3.实验规律之三——光电效应具有瞬时性 当入射光的频率超过截止频率时,无论入射光强度怎么样,立刻就 能产生光电效应。精确测量表明,产生光电流的时间不超过 10-9 s。
预习交流 1
经典电磁理论为什么无法解释光电效应的瞬时性? 答案:光电效应的实验表明,入射光照射到金属上时,光电子的发射
几乎是瞬时的,一般不超过 10-9 s,也就是说,光电子的逸出不需要一个能 量的积累过程。按照经典电磁理论,一束光照到物体表面上时,它的能量 将分布在大量的原子上,电子从入射光中吸收能量后必须积累到足够 大,才能克服内部原子对它的引力逸出表面,这就必须花较长的时间,不 可能立即逸出。所以经典电磁理论无法解释光电效应的瞬时性。