【物理课件】光电效应 2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册.pptx

第四章第四章 原子结构和波粒二象性原子结构和波粒二象性4.2 4.2 光电效应光电效应问题：把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。这个现象说明了什么问题？实验发现，若使锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小，说明锌板带的负电荷变少了。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应这种电子常称为光电子 1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。后来这一现象引起许多物理学家的关注。德国物理学家勒纳德、英国物理学家J.J.汤姆孙等相继进行了实验研究，证实了这个现象。下面我们用图4.2-1所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色（频率）等物理量之间的关系如图4.2-1，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。这导致电压U为0时电流I并不为0（滑片移到最左端时，电压U为0）。uAAK窗口I一、光电效应的实验规律 大量实验表明：入射光的频率必须高于某一极限频率才能发生光电效应。存在截止频率：vc跟材料有关一、光电效应的实验规律实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关+一一 一一 一一 一一 一一 一一KAE 存在饱和电流：IC一定的光照情况下，产生的光电子数量是一定的。实验表明：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。一、光电效应的实验规律存在遏止电压：Uc+一一 一一 一一 一一 一一KAE 此时拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功：一、光电效应的实验规律 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。光的频率 改变时，遏止电压也会改变。光电子的能量（初动能）只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。饱和电流IC遏止电压光电效应具有瞬时性 实验发现：无论入射光多为弱，都会在照射到金属时立即产生光电子，精确测量表明这个时间10-9s，也就是说电子不需要积累能量的时间。截止频率饱和电流遏止电压规律频率光强频率瞬时10-9s令科学家感到困惑一、光电效应的实验规律二、光电效应经典解释中的疑难思考与讨论 人人们们知知道道，金金属属中中原原子子外外层层的的电电子子会会脱脱离离原原子子而而做做无无规规则则的的热热运运动动。但但在在温温度度不不很很高高时时，电电子子并并不不能能大大量量逸出金属表面，这是为什么呢逸出金属表面，这是为什么呢?金属原子原子核 这表明金属表面层内存在一种力，这表明金属表面层内存在一种力，阻阻碍电子的逃逸碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。必须获得一些能量，以克服这种阻碍。使电子脱离某种金属所做功的最小值。逸出功W0：金属钨钙钠钾铷vc/（1014HZ）10.957.735.535.445.15W0/eV4.543.202.292.252.13光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。1.光的电磁理论任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一个极限频极限频率率，入射光频率必须大于这个极，入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效限频率才能产生光电效入射光照到金属上时，光电子的入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是发射几乎是瞬时瞬时的（的（t10t10-9-9秒）秒）入射光越强，饱和电流大。入射光越强，饱和电流大。光电效应规律光电效应规律经典理论的解释经典理论的解释光电子的光电子的最大初动能最大初动能与入射光的与入射光的强度无关，只随入射光频率的增强度无关，只随入射光频率的增大而增大大而增大入射光越强，单位时间内逸出的光入射光越强，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和电流大。电子数越多，饱和电流大。不管光的频率如何，只要光足够强，不管光的频率如何，只要光足够强，不管光的频率如何，只要光足够强，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。电子都可获得足够能量从而逸出表面。电子都可获得足够能量从而逸出表面。电子都可获得足够能量从而逸出表面。不存在极限频率。不存在极限频率。不存在极限频率。不存在极限频率。光越强，光电子的初动能应该越大，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压所以遏止电压UCUC应与光的强弱有关。应与光的强弱有关。若光很弱，按经典电磁理论估算，电若光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间子需几分钟到十几分钟的时间 才能获才能获得逸出表面所需的能量。得逸出表面所需的能量。2.光的电磁理论与光电效应的矛盾电磁理论电磁理论不存在截止频率截止电压光强需要长时间存在截止频率遏止电压 频率瞬时 W0 时，光电子才可以从金属中逸出，vc W0/h就是光电效应的截止频率（图4.2-4）。三、爱因斯坦的光电效应理论 从下面的讨论可以看出，爱因斯坦光电效应方程可以很好地解释光电效应实验中的各种现象。2、这个方程还表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v有关，而与光的强弱无关。这就解释了遏止电压和光强无关三、爱因斯坦的光电效应理论3、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产生的4、对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。思考与讨论：爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率 v v 的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 Uc。那么，怎样得到截止电压 Uc 与光的频率 v v 和逸出功 W0 的关系呢？三、爱因斯坦的光电效应理论利用光电子的初动能利用光电子的初动能和爱因斯坦光电效应方程和爱因斯坦光电效应方程可得：可得：三、爱因斯坦的光电效应理论 对于确定的金属，其逸出功W0 是确定的，电子电荷e 和普朗克常量h都是常量。故上式中的截止电压Uc 与光的频率 v v 之间是线性关系 Uc-v v 图像是一条斜率为 h/e的直线（图4.2-5）三、爱因斯坦的光电效应理论 从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他的目的是：测量金属的截止电压Uc与入射光的频率v，由此算出普朗克常量h并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性实验的结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5%的误差范围内是一致的。这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据。爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年的诺贝尔物理学奖四、康普顿效应和光子的动量19181922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长0相同的成分外，还有波长大于0的成分，这个现象称为康普顿效应1.光的散射2.康普顿效应 光与介质中的物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种光与介质中的物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做现象叫做光的散射光的散射。康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了该效应的普遍性。康普顿散射的实验装置与规律晶体晶体光光 阑阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j j 0 0散射波长散射波长散射波长散射波长 四、康普顿效应和光子的动量 康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为 按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释爱因斯坦 1916 年的一篇关于辐射问题的论文中就提出了光子具有动量四、康普顿效应和光子的动量 在康普顿效应中，当入射的光子在康普顿效应中，当入射的光子（X射线这种不可见光的光子）与晶体中的电子与晶体中的电子碰撞碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小（图4.2-6）。从上式看，动量p减小，意味着波长变大，因此，这些光子散射后波长变大。基于这个假定的理论结果与实验符合得很好。康普顿效应让人们对光子有了更深入的认识。康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。五、光的波粒二象性 众所周知，在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认众所周知，在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种电磁波，从而光的波动说被普遍接受，人们不再认为光是由粒子组成的而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子（即一个个有确定能量和动量的“光子”）组成的。也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性当然，此时人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者。五、光的波粒二象性 人们意识到，光既具人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性此后，又经过一系列探索，人们最终建立了比较完善的，能统一描述光的波动性和粒子性的理论量子电动力学从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯杨的光的波动说，到麦克斯韦的光的电磁理论，再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学，人类对光的认识构成了一部科学史诗。课堂练习例4：入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（）A.从光照射金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.逸出的光电子的最大初动能将减小C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.有可能不发生光电效应C