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第六章 波粒二象性
第1節(jié) 光電效應(yīng)及其解釋
第1課時
1. 知道什么是光電效應(yīng)，了解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。
2. 知道光電效應(yīng)與電磁理論的矛盾。
3.理解愛因斯坦的光子說以及對光電效應(yīng)的解釋，會用光電效應(yīng)方程解決一些簡單問題。
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這些應(yīng)用都與光電效應(yīng)有關(guān)。 什么是光電效應(yīng)？
實驗與探究：演示光電效應(yīng)
把一塊擦亮的鋅板安裝在靜電計上。把用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸鋅板，靜電計指針的偏角將會怎樣變化？用紫外光照射鋅板，觀察靜電計指針的偏角有什么變化；停止紫外光照，靜電計指針的偏角又會怎樣變化？這說明了什么？請解釋以上現(xiàn)象。
原來不帶電的鋅板被紫外光照射后帶了正電，這表明電子在紫外光照射下逸出了鋅板表面。
知識點一：光電效應(yīng)
1.光電效應(yīng)：物理學(xué)中，在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。
逸出的電子稱為光電子。
光電子逸出與哪些因素有關(guān)？
有著怎樣的規(guī)律？
如圖為一種典型的光電管結(jié)構(gòu)示意圖，抽成真空的玻璃管內(nèi)密封有陰極和陽極，在陰極表面涂有某種金屬材料，當(dāng)受到光照射時產(chǎn)生光電子。
2.研究光電效應(yīng)
（1）用不同頻率的光照射陰極，并調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度，觀察到什么現(xiàn)象？
（2）保持光照條件不變，調(diào)節(jié)滑動變阻器，逐漸提高電壓，觀察光電流是否隨電壓變化而發(fā)生變化。
（3）把電源的正負(fù)極對調(diào)，重復(fù)上述實驗，觀察實驗現(xiàn)象。
在如圖所示的電路圖中，光束可由玻璃窗口進(jìn)入，投射到陰極K上。陰極K與陽極A之間的電壓可通過滑動變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，電源的正負(fù)極也可對調(diào)。當(dāng)發(fā)生光電效應(yīng)時，陰極K發(fā)射的光電子被陽極A吸收后，形成光電流。因此，我們可通過該電路來探究光電效應(yīng)的規(guī)律。
大量實驗研究表明：
（1）光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件：當(dāng)入射光的頻率低于某一頻率時，光電流消失，不會產(chǎn)生光電效應(yīng)，這一頻率稱為極限頻率。
極限頻率與金屬的種類有關(guān)，每一種金屬對應(yīng)一種極限頻率。只有當(dāng)入射光的頻率大于或等于極限頻率，才會產(chǎn)生光電效應(yīng)；若入射光的頻率小于極限頻率，即使增加光的強(qiáng)度或照射時間，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。
（2）瞬時性：從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)間隔的時間很短，通常在10-9s內(nèi)。
（3）飽和電流：產(chǎn)生光電效應(yīng)時，在光照強(qiáng)度不變的情況下，光電流隨電壓的增大而增大，當(dāng)電流增大到一定值后，即使電壓再增大，電流也不再增加，達(dá)到一個飽和值，即為飽和電流。在光頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，單位時間內(nèi)逸出的電子數(shù)也越多，飽和電流越大。
（4）遏止電壓：陰極逸出的光電子具有初動能，因此在外加電壓調(diào)到零時仍有光電流。如果施加反向電壓，在電壓較低時也還有光電流，只有當(dāng)反向電壓大于某一值時，光電流才為零，這一電壓值稱為遏止電壓。
遏止電壓UC與光電子最大初動能滿足的關(guān)系為:
光電子最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。入射光的頻率越高，光電子的最大初動能越大。
光電流與電壓的關(guān)系曲線
遏止電壓
1.光電效應(yīng)經(jīng)典解釋的疑難
這些結(jié)論與實驗結(jié)果相矛盾， 經(jīng)典電磁理論更是無法解釋。
實驗結(jié)論：
1.????不變，光強(qiáng)越強(qiáng)，????飽越大；
2.????????只與????有關(guān)，與強(qiáng)度無關(guān)；
3.當(dāng)????大于????????時，發(fā)生光電效應(yīng)；
4.瞬時性。
?
√
×
×
×
經(jīng)典解釋：
強(qiáng)度越大，逸出的光電子數(shù)越多，光電流越大；
遏止電壓應(yīng)與入射光的強(qiáng)度有關(guān)；
如果光較弱，只要積累足夠長時間，電子獲得足夠能量就會形成光電子；
能量的可以隨時間積累。
二、光電效應(yīng)的解釋
看似連續(xù)的光實際上是由個數(shù)有限、分立于空間的光子組成，每個光子的能量為 （h是普朗克常量，其值為6.63×10-34J·s， 是光的頻率）。光照到金屬板時，光子的能量傳遞給電子，若這份能量等于或是大于電子逸出金屬表面所需的功（W)，剛就會發(fā)生光效應(yīng)現(xiàn)象。多出來的能量則轉(zhuǎn)化為電子離開時的動能(12????????2)。
?
愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子理論提出了光量子的概念。
2. 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程
或
——光電子最大初動能
一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能????k，即：
?
?????=????k+????
?
????k=??????????
?
Ek =12????????2
?
W——金屬的逸出功
3. 對光電效應(yīng)方程的理解
（1）光電子的動能
Ek = hν － W 中， Ek為光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時的動能大小可以是零到最大值范圍內(nèi)的任何數(shù)值。
（2）方程實質(zhì)：
方程 Ek = hν － W實質(zhì)上是能量守恒方程。
（3）產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件
方程 Ek = hν － W包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件， 即要產(chǎn)生光電效應(yīng)，須 Ek = hν － W> 0，亦即 hν > W，ν > W /h，而 νc = W/h 就是金屬的截止頻率。
（4）極限頻率 νc
方程 Ek = hν － W 表明，光電子的最大初動能Ek 與入射光的頻率 ν 存在線性關(guān)系（如圖所示），與光強(qiáng)有關(guān)。圖中橫軸上的截距是極限頻率，縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值，圖線的斜率為普朗克常量。
（5）逸出功
方程 Ek = hν － W0 中的逸出功 W0 為從金屬表面逸出的電子克服束縛而消耗的最少能量，不同金屬的逸出功是不同的。
從1907年起，美國物理學(xué)家密立根開始以精湛的技術(shù)測量光電效應(yīng)中幾個重要的物理量。他的目的是：測量金屬的截止電壓Uc與入射光的頻率v，由此算出普朗克常量h，并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，以檢驗愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。
實驗的結(jié)果是，兩種方法得出的普朗克常量h在0.5% 的誤差范圍內(nèi)是一致的。這為愛因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實驗證據(jù)。
愛因斯坦由于提出了光電效應(yīng)理論而獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。
4. 光電效應(yīng)理論的驗證
例題：在研究光電效應(yīng)實驗中，光電管的陰極材料為銫（Cs），用某一頻率的光照射，實驗測得光電流隨電壓變化的圖像如圖 所示。已知銫的逸出功為 3.0×10-19 J。
（1）銫發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率是多少？
（2）本次實驗的入射光頻率是多少？
解：已知銫的逸出功 W = 3.0×10-19 J，從圖像可知遏止
電壓 Uc = 2.5 V
（1）設(shè)銫材料的極限頻率為νc，有 W = hνc
解得
（2）當(dāng)光電管加反向遏止電壓時，光電流為零，有
設(shè)入射光頻率為ν，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，有
解得
1.在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器指針張開一個角度，如圖所示，這時 ( )
A．鋅板帶正電，指針帶負(fù)電
B．鋅板帶正電，指針帶正電
C．鋅板帶負(fù)電，指針帶正電
D．鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電
B
2.若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應(yīng)，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)（ ）
A. 增大入射光的強(qiáng)度
B. 增加光的照射時間
C. 改用黃光照射
D. 改用紫光照射
D
3.在光電效應(yīng)實驗中，飛飛同學(xué)用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示．則可判斷出(　　)

A．甲光的頻率大于乙光的頻率
B．乙光的波長大于丙光的波長
C．乙光對應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率
D．甲光對應(yīng)的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能
B

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