第四章

原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性第2節(jié)

光電效應(yīng)

02主題二、探究光電流與入射光關(guān)系01主題一、光電效應(yīng)目錄CONTENTS03主題三、愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論第2節(jié)

光電效應(yīng)

04主題四、康普頓效應(yīng)19世紀(jì)末，麥克斯韋的電磁理論完美地解釋了光是一種和機(jī)械波類(lèi)似的波動(dòng)，光的電磁波說(shuō)得到了廣泛的認(rèn)同。德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)現(xiàn)象：光電效應(yīng)卻使光的波動(dòng)說(shuō)遇到了巨大的危機(jī)新課引入：光是什么？第一部分光電效應(yīng)在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，使金屬發(fā)射出電子的現(xiàn)象。一、光電效應(yīng)1.定義:發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。3.光電管:陽(yáng)極陰極石英窗①正向電壓:增強(qiáng)光電流。②反向電壓:減弱光電流。2.規(guī)律:形成光電流μA

思考:能計(jì)算電子跑出來(lái)的初動(dòng)能大小嗎？EK0思考:如何改變正向或反向電壓，從而去改變光電流的大??？

入射光再?gòu)?qiáng)也不發(fā)生光電效應(yīng)

一、光電效應(yīng)陽(yáng)極陰極石英窗VμA在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，使金屬發(fā)射出電子的現(xiàn)象。1.定義:發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。3.光電管:①正向電壓:增強(qiáng)光電流。②反向電壓:減弱光電流。2.規(guī)律:形成光電流

入射光再?gòu)?qiáng)也不發(fā)生光電效應(yīng)

思考:能計(jì)算電子跑出來(lái)的初動(dòng)能大小嗎？EK0第二部分探究光電流與入射光的關(guān)系陽(yáng)極陰極石英窗VμAEK0①控制頻率,即控制光的顏色只改變光強(qiáng)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo):②控制光強(qiáng)，即只不斷改變光的顏色二、探究光電流與入射光的關(guān)系陽(yáng)極陰極石英窗μA

2.實(shí)驗(yàn)方法:控制變量法3.實(shí)驗(yàn)步驟:(1)增加反向電壓,讓光電流大小剛好為零,記下此時(shí)的電壓值UC此電壓命名為遏止電壓UC。VEK0

二、探究光電流與入射光的關(guān)系陽(yáng)極陰極石英窗μA3.實(shí)驗(yàn)步驟:(1)增加反向電壓,讓光電流大小剛好為零,記下此時(shí)的電壓值UC此電壓命名為遏止電壓UC。VEK0

UC增加②只增加入射光強(qiáng)度，UC不變(2)增加正向電壓,二、探究光電流與入射光的關(guān)系陽(yáng)極陰極石英窗μA3.實(shí)驗(yàn)步驟:VEK0(2)增加正向電壓,光電流增大。電壓增加到一定值，光電流達(dá)到最大值。稱(chēng)之為飽和電流。只增加光強(qiáng)，飽和電流再次增大只增加頻率，飽和電流反而減小4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:①遏止電壓UC只與入射光頻率有關(guān)②飽和電流與入射光的強(qiáng)度成正相關(guān)UI光電流0UC藍(lán)光（弱）藍(lán)光（強(qiáng)）紅光4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:二、探究光電流與入射光的關(guān)系①遏止電壓UC只與入射光頻率有關(guān)②飽和電流與入射光的強(qiáng)度成正相關(guān)經(jīng)典電磁理論遇到困難一、光電效應(yīng)結(jié)論1.存在截止頻率，瞬時(shí)發(fā)生2.加反向電壓存在著遏止電壓3.加正向電壓存在著飽和電流UI0UC藍(lán)光(弱)藍(lán)光(強(qiáng))紅光二、按經(jīng)典波動(dòng)理論：①光越強(qiáng)能量越高，不論光的頻率高低，只要光足夠強(qiáng)就應(yīng)該發(fā)生光電效應(yīng)，即時(shí)光不強(qiáng)，但只要照射足夠時(shí)間也應(yīng)該發(fā)生光電效應(yīng)。②光越強(qiáng)能量越高，不論光的頻率高低，則發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)跑出來(lái)的光電子動(dòng)能應(yīng)該越大。遏止電壓應(yīng)該越大。經(jīng)典電磁理論遇到困難

3.光強(qiáng)度大，則說(shuō)明光子數(shù)目多，在能發(fā)生光電效應(yīng)的前提下，則釋放的光電子也多所以光電流也大。

愛(ài)因斯坦假說(shuō)：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是一份一份的能量子。

2.電子只要吸收一個(gè)大于極限頻率的光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。1.電子一次只能吸收一個(gè)光子，而且不能累積吸收，吸收一個(gè)光子后沒(méi)有使電子跑出來(lái)立刻把吸收的光子輻射出去。所以此種光子能量沒(méi)有使電子跑出來(lái)，那就永遠(yuǎn)無(wú)法使電子逸出愛(ài)因斯坦假說(shuō)很好解釋了光電效應(yīng)充分說(shuō)明了光的量子性第三部分愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論陰極三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論2.逸出功W0:3.光電效應(yīng)方程:每一份的能量子叫做光子1.光子:

每種金屬表層一個(gè)電子脫離金屬所做的最小功,W0對(duì)應(yīng)極限頻率

最大初動(dòng)能EK=

-W0-W0

陰極k=

h=eUC

陰極三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論2.逸出功W0:3.光電效應(yīng)方程:每一份的能量子叫做光子1.光子:

每種金屬表層一個(gè)電子脫離金屬所做的最小功,W0對(duì)應(yīng)極限頻率

最大初動(dòng)能EK=

-W0-W0

k=

h=eUCUC=

k=

幾種金屬的極限頻率v0與極限波長(zhǎng)λ0鎢W鈣Ca鈉Na鉀K銫Cs極限頻率

v0/1014Hz10.957.735.535.444.69極限波長(zhǎng)λ0/nm283388542551639三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論鉀K銫Cs(1)(2)銫Cs(3)每種金屬對(duì)電子的束縛能力不同

看表格思考下列問(wèn)題(1)某光恰能使鈉發(fā)生光電效應(yīng)，那么能使表格內(nèi)哪些金屬發(fā)生光電效應(yīng)?(2)表中哪種金屬最易發(fā)生光電效應(yīng)?(3)為什么各種金屬的極限頻率不同?由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿(mǎn)解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論【典例1】在研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，光電管的陰極材料為銫(Cs)，用某一頻率的光照射，實(shí)驗(yàn)測(cè)得光電流隨電壓變化的圖像如圖所示。已知銫的逸出功為3.0×10-19J，取普朗克常量h=6.63×10-34J·s，元電荷e=1.60×10-19C。(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)(1)銫發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率是多少?(2)本次實(shí)驗(yàn)的入射光頻率是多少?典例分析：W0=hνc解:(1)=3.0×10-19J

(2)最大初動(dòng)能EK=

-W0=eUC

≈1.06×1015Hz≈4.52×1014Hz【變式】上述【典例1】中，若用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射光電管的陰極形成光電流，那么在下列光電流與電壓的關(guān)系圖像中，正確的是(

)C典例分析：【典例2】某種金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示，其中νc為極限頻率。下列說(shuō)法正確的是(

)A.逸出功隨入射光頻率的增大而減小B.最大初動(dòng)能Ek與入射光強(qiáng)度成正比C.最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率成正比D.圖中直線(xiàn)的斜率與普朗克常量有關(guān)D典例分析：【典例3】如圖甲所示，合上開(kāi)關(guān)，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極K，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時(shí)，電流表讀數(shù)為零。把電路改為圖乙，當(dāng)電壓表讀數(shù)為1.5V時(shí)，逸出功W及電子到達(dá)陽(yáng)極時(shí)的最大動(dòng)能Ek為(

)A.W=3.1eV

Ek=4.5eV B.W=1.9eV

Ek=2.1eVC.W=1.7eV

Ek=1.9eV D.W=1.5eV

Ek=0.6eV典例分析：BUC=0.60VEK0=hν-W得:W=eU正=得:Ek==eUC1.9eV

2.1eV第四部分康普頓效應(yīng)康普頓(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家四、康普頓效應(yīng)1.內(nèi)容:光闌X射線(xiàn)管探測(cè)器X射線(xiàn)譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j

0散射波長(zhǎng)

X射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中除有與入射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的射線(xiàn)外，還有比入射線(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線(xiàn)波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)?？灯疹D(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家散射波中除了有等于入射波波長(zhǎng)

0的電磁波外，還有比入射波波長(zhǎng)大的電磁波。光闌X射線(xiàn)管探測(cè)器X射線(xiàn)譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j

0散射波長(zhǎng)

四、康普頓效應(yīng)2.康普頓效應(yīng)與經(jīng)典物理理論的矛盾:①按照經(jīng)典物理學(xué)的理論，入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動(dòng)，振動(dòng)著的帶電微粒進(jìn)而再次產(chǎn)生電磁波，并向四周輻射，這即散射光。②散射光的頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動(dòng)的頻率(即入射光的頻率)。因此散射光的波長(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)應(yīng)該相同，不應(yīng)該出現(xiàn)波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射光。③經(jīng)典物理理論無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變與散射角的關(guān)系。四、康普頓效應(yīng)3.康普頓解釋①由于x光子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的電離能，若光子與晶體的外層電子碰撞，外層電子可以說(shuō)是一個(gè)自由電子且處于靜止?fàn)顟B(tài)電子吸收部分光子的能量從而逃脫出來(lái)。而剩余的光子的能量減小，波長(zhǎng)變長(zhǎng)②若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，光子原速率反彈。碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變康普頓也否定不能連續(xù)吸收康普頓(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn):(1897-1977)物理學(xué)家。1925年獲美國(guó)芝加哥大學(xué)博士學(xué)位(師從康普頓）。四、康普頓效應(yīng)1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(xiàn)

為入射線(xiàn),以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)。4.吳有訓(xùn)對(duì)康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。

康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。在大會(huì)上做發(fā)言，建議將此效應(yīng)命名為康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)。以表彰吳有訓(xùn)在此方面的貢獻(xiàn)。5.康普頓效應(yīng)的意義①有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè)；②首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)；③證實(shí)了在微觀(guān)世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。四、康普頓效應(yīng)①光子的能量：愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：普朗克公式：②光子的動(dòng)量：6.光子的能量和動(dòng)量E=hνE=mC2P=mv=mC

②由于強(qiáng)激光的出現(xiàn)：當(dāng)用強(qiáng)激光照射金屬時(shí)，電子可以一次吸收多個(gè)光子。7.近代物理對(duì)光電效應(yīng)的研究①實(shí)際上在光電效應(yīng)中也會(huì)發(fā)生康普頓效應(yīng)，即電子吸收部分光子的能量，但是由于是用可見(jiàn)光照射，康普頓效應(yīng)不顯著而已。四、康普頓效應(yīng)動(dòng)量、能量是描述粒子的頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的C=λvC=λ/T光既具有波動(dòng)性，也具有粒子性光是什么？即光具有波粒二象性四、康普頓效應(yīng)【典例1】(2024·貴州高考)(多選)我國(guó)在貴州平塘建成了世界最大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，其科學(xué)目標(biāo)之一是搜索地外文明。在宇宙中，波長(zhǎng)位于搜索地外文明的射電波段的輻射中存在兩處較強(qiáng)的輻射，一處是波長(zhǎng)為21cm的中性氫輻射，另一處是波長(zhǎng)為18cm的羥基輻射。在真空中，這兩種波長(zhǎng)的輻射相比，中性氫輻射的光子(

)A.頻率更大

B.能量更小C.動(dòng)量更小

D.傳播速度更大BC典例分析：【典例2】美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線(xiàn)的散射時(shí)，用X光對(duì)靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時(shí)，X光光子的運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。下列說(shuō)法正確的是(

)A.當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分

動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大B.康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性，表明光子除

了具有能量之外還具有動(dòng)量C.X光散射后與散射前相比，速度變小D.散射后的光子雖然改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，但頻率保持不變B典例分析：

典例分析：B課堂小結(jié)

光電效應(yīng)非4人探究光電流與入射光的關(guān)系非4人康普頓效應(yīng)

愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論存在截止頻率

存在飽和電流存在截止電壓光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性

一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量hv后，一部分能量用來(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：EK=hv-W0X射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中除有與入射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的射線(xiàn)外，還有比入射線(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線(xiàn)波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)?！揪毩?xí)1】人眼對(duì)綠光最為敏感，如果每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)。現(xiàn)有一個(gè)光源以10W的功率均勻地向各個(gè)方向發(fā)射波長(zhǎng)為5.3×10-7m的綠光，已知瞳孔的直徑為4mm，普朗克常量為h=6.63×10-34J·s，光速為3×108m/s，不計(jì)空氣對(duì)光的吸收，則眼睛能夠看到這個(gè)光源的最遠(yuǎn)距離約為(

)A.2×107m