课件-高二物理-2.光电效应现象及规律

例1．科学研究证明，光子有能量也有动量，当 光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电 子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ ，碰撞后 的波长为λ ′，则碰撞过程中( C ) A．能量守恒，动量守恒，且λ ＝λ ′ B．能量不守恒，动量不守恒，且λ ＝λ ′ C．能量守恒，动量守恒，且λ <λ ′ D．能量守恒，动量守恒，且λ >λ ′
Ek h W0
上式即为爱因斯坦的光电效应方程。 如果电子克服阻力做功大于逸出功，则逸出后 电子的初动能小于最大初动能。
2.影响饱和电流、遏制电压、截止频率的因素
（1）只要入射光频率超过截止频率，饱和电 流的大小只与单位时间内的光子数有关。
（2）截止频率只与金属的逸出功有关，即只 与金属的种类有关。
c

W0 h
（3）遏制电压与入射光频率和逸出功有关。
Uc

h
W0 e
思考1：同种频率的光射到同种金属上，增强 入射光时，饱和电流、遏止电压分别如何变 化？
答案：饱和电流增大，遏止电压不变。
思考2：相同强度（单位时间内的能量）的 单色光射到同种金属上，增加入射光的频率 时，饱和电流、遏止电压分别如何变化？
2 光的粒子性
孝昌一中高二物理组 2019年2月28日
对光学的研究
从很早就开始了… …
17世纪明确形成 了两大对立学说
牛顿 微粒说
由于波动说没有 数学基础以及牛 顿的威望使得微 粒说一直占上风
19世纪初证明了 波动说的正确性
19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性
Байду номын сангаас
惠更斯 波动说
一、光的波动性：
托马斯·杨
菲涅耳 衍射实验
赫兹 电磁波实验
惠更斯 双缝干涉 波动说 实验
麦克斯韦 电磁说
波 动 性
1690 1672
1801 1814
1864 1888 1905
……….
T/年
牛顿 微粒说
赫兹
爱因斯坦
发现光电效应 光子说
粒 子 性
牛顿微粒说 占主导地位
波动说 渐成真理
Uc
νc
-W0/e
Uc

h
e
W0 e
思考1：截距和斜率的物理意义分别是什么？ 思考2：同如一果张将图两像种中不，同会金是属怎的样Uc的-ν曲？线画在
4.光子说对光电效应的解释
①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与
入射光的频率成线性关系，与光强无关。
只有当hν>W0时，才有光电子逸出， c
温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受 到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣 脱出来，必须克服这个引力做功。
光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 √
①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电 压UC应与光的强弱有关。
实验表明:对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强 弱如何,遏止电压是一样的. ②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获 得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 ③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分 钟到十几分钟的时间才能获-9 得逸出表面所需的能量， 这个时间远远大于10 -9 S。
实验测得的光电效应曲线
饱和电流Is
遏 止 电 压
I
黄光（ 强） 蓝光
黄光（ 弱）
Uc1 Uc2
O
U
（3）存在截止频率νc：
当入射光的频率减小 到某一数值νc时，无论光 的强度多大，加上怎样的 电压，无论照射时间多长 都不会有光电流。
这个临界频率叫做截 止频率νc。
结论：当入射光的频率低于截 止频率时不能发生光电效应。
P

c2
mc
h
c

h

h
c2
c
E h 动量、能量是用来描述粒子的，
P

h

频率、波长则是用来描述波的
p mc
h mc2
p h h c
当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要 把一部分动量转移给电子，因而动量P变小， 从而λ变大。
散射角不同，说明碰撞后光子的动量也不同， 光的波长也不同。
康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的 几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于 “混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只 考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
4.吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.
1925—1926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62nm)
②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子 将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于 原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量 几乎不变，波长不变。
③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关， 所以波长改变和散射角有关。
七、康普顿散射实验的意义
1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； 2.首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设； 3.证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和 能量守恒定律仍然是成立的。
++++++
加上反向电压后，电
子受到的电场力方向与运 A 动方向相反，电子减速。
一
如果反向电压足够大， 一
电子将无法达到A板。临界 一
的电压值即为遏止电压Uc。
一 一
1 2
mevc2

eU c
一
UK
E v
－
F E
其12 中me，vc2 vc是是e光U所c电有子光的电最子大的初最动大能初。速度，
实验表明：对于一定颜色（频率）的光，无论光的强 弱如何，遏止电压都是一样的。且光的频率v改变时， 遏止电压也会改变。
②无法解释波长改变和散射角关系。
2、光子理论对康普顿效应的解释
康普顿引用光子模型成功解释了这种效应。 基本思想：光子不仅具有能量，也具有动量 ，光子与电子碰撞时要遵守能量守恒定律和 动量守恒定律。
具体解释为：
①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能 量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射 光的波长大于入射光的波长。
这个最大电流就叫做 饱和电流。
K板逸出的电子向 各个方向运动，如果 不加电压，很多电子 无法到达A板，无法 形成较大电流。
加上电压后，越来 越多的电子到达A板， 电流越来越大。
但是，如果所有电 子都达到了A板，继 续增大电压，就无法 再增大电流。
实验表明： 在一定的光照条件下，单位 时间内阴极K发射的光电子 的数目是一定的。
光电效应和康普顿效应 ——证明了光具有粒子性
光的干涉和衍射现象 ——证明了光具有波动性
光具有波粒二象性
增大而增大 ．
3、光电效应的发生几乎是瞬时的．小于10-9s
4、当入射光的频率大于极限频率时，单位时间逸出 的光电子数与入射光的强度成正比．
三 . 光电效应解释中的疑难：
逸出功W0 使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫
做这种金属的逸出功。
每种金属都有自己一定的逸出功W0
光照到金属表面，电子吸收能量，当具有的 能量大于金属的逸出功W0 ，就可能从表面飞出成 为光电子。
实验还表明： 入射光越强，饱和电流越 大，单位时间内发射的光 电子数越多。
（2）存在遏止电压Uc （反向截止电压）
当A接负极，K接正极 时，控制入射光的强度一
定，使UKA从0开始增大， 观察到电流表的示数逐渐
减小到0。 电流刚减小到0时对应
的UKA叫做遏止电压Uc。
A 阳极-
V
阴+极 K
GA
对存在遏止电压的解释：
美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电
效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h
的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理 论的正确。
由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效
应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦由于对光电效 应的理论解释和对理论 物理学的贡献获得1921 年诺贝尔物理学奖
为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，
在同一散射角( j 1200)测量
各种波长的散射光强度，作 了大量 X 射线散射实验。 对证实康普顿效应作出了 重要贡献。
（1897-1977）
八、光子的能量和动量
康普顿提出：光子除了具有能量之外还有动量
E mc2 E h
m h
以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所
以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
四. 爱因斯坦的光电效应方程： 1.光子说：
（1）光子：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份 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。这些能量子后 来被称为光子。
（2）一个电子一瞬间吸收一个光子的能量，一部分 能出后量电用子来的克最服大金初属动的能逸出Ek功，即W0：，剩下的表现为逸
3、康普顿散射实验的装置
X 射线管
晶体
光阑
散射波长
0
j
探
测
器
石墨体 (散射物质)
X 射线谱仪
康普顿正在测晶体
对X 射线的散射
六、康普顿效应解释中的疑难
1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难
①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质 时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率 等于入射光频率，所以它所发射的散射光频 率应等于入射光频率。
密立根由于研究基本电荷和 光电效应，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝尔 物理学奖
五、康普顿效应
1、光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播 方向发生改变，这种现象叫做光的散射。
2、康普顿效应
康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时， 发现散射线中除有与入射波长相同的射线外， 还有比入射波长更长的射线，其波长的改变量 与散射角有关，而与入射波长和散射物质都无 关。
二、光电效应： 1、演示：
2、光电效应现象：
当光线(包括不可见光)照射在金属 表面时，金属中有电子逸出的现象，称 为光电效应。
逸出的电子称为光电子。
光电子定向移动形成的电流叫光电流
3、光电效应实验研究：
观 察
3、光电效应实验研究：
（1）存在饱和电流
当A接正极，K接负极 时，控制入射光的强度一 定，使UAK从0开始增大， 观察到电流表的示数一开 始增大，到某一数值后就 不再增大。
答案：饱和电流减小，遏止电压增大。
3.光电效应方程的图像：
Ek＝hν－W0 （1）Ek随v的变化关系图线：图像的意义理解，
EK
ν
0
ν0
－W0
（2）外加电压和光电流的关系（同种金属）
I
黄光（强）
蓝光
黄光（弱）
Uc1Uc2 O
U
光的强弱影响饱和电流
光的频率影响遏制电压
（3）遏止电压-入射光频率：Uc-ν图像
是光电效应的截止频率。

W0 h
就
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，光电流自然几乎是瞬时发生的。
③光强较大时，包含的光子数较多，照射金 属时产生的光电子多，因而饱和电流大。
5、光电效应理论的验证:
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时 并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的 波动理论。
阴+极
A
K
阳极-
GA
V
（4）光电效应的瞬时性：
当入射光的频率超过截止频率时，无论光 如何微弱，几乎在瞬间就会产生光电流。时 间间隔不超过10-9s。
光电效应规律：
1、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射光大于 等于这个极限频率，才能发生光电效应．
2、光电子的能量与入射光强度无关，只随入射光频率的