光电效应光子

第二节光的粒子性(2课时) 光电效应光子第1课时

问题1：回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？问题1：回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？ 19世纪初，托马斯.杨、菲涅尔、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振。19世纪60年代，麦克斯韦提出电磁场理论，19世纪80年代赫兹用实验验证了这一理论，光的波动说取得了胜利。同时赫兹还发现了用光的波动说无法解释的现象——光电效应。

一、光电效应现象 用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒（带正电）去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电

定义： 照射到金属表面的光(包括不可见光) ，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子问：若锌板先带上负电，再用紫外线灯照射锌板，会怎样？（课本p30）

转化为 光电效应实质：光现象电现象阴极阳极正向：电子加速，电场力做正功。加电压反向：电子减速，电场力做负功。二、光电效应实验及规律光线经石英窗照在阴极上时有电子逸出----光电子。光电子在电场作用下形成光电流。

光电流与电压关系 阴极 I 阳极光强较强饱和电流光强较弱 I 遏止电压 s • 饱和电流 • 入射光颜色（频率）不变，当 A 加正向电压，电流增加，到一定值时单位时间内发射的所有光电子都被阳极A吸收，即使电压再增，电流也不会增大，光电流达到饱和。（入射光强度 n：光子数）（一个光子的能量只能给一个光电子） • 对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，饱和光电流越大。 Uc U O 实验规律：

阴极光电流与电压关系阳极 I 光强较强饱和电流光强较弱 I 遏止电压 s Uc U O 2.遏止电压当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功（w=qu）,电子减速，当电压达到某一值 Uc 时，速度最大的光电子达不到阳极A，此时光电流恰为0。 Uc称遏止电压。对于一定颜色（频率）的光,无论光强如何Uc相同；频率改变，遏止电压变。光电子的能量只与光入射的频率有关，与入射光强弱无关。

Uc 阴极阳极 O 用不同频率的光去照射阴极K时，实验结果表明：频率越高，Uc越大，并且频率与Uc呈线性关系。当入射光频率> c时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率< c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。称为截止频率（或极限频率）。不同金属的截止频率不同。 3.截止频率c ----极限频率 4.瞬时性光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间 t<10-9s。

二、爱因斯坦的光量子假设 1.内容光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为  =h 能量子组成的粒子流，这些能量子沿光的传播方向以光速 c 运动。这些能量子称为光子。 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了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek。由能量守恒可得出：

W0：某种金属中的不同电子，脱离这种金属所需要的功不一样， 使电子逸出金属表面所作功的最小值，称为逸出功； Ek:为光电子的最大初动能；：为入射光频率 Ekm (1)由得 O -W0 3.光电效应方程 4.光电效应的解释初动能及反向截止电压与 成正比，而与光强无关。

（2）截止频率0 的解释: Ekm O -W a: 入射光频率低于 c 时，光子能量小于( h <Wo)逸出功，无光电子产生。 b:当入射光频率> 0时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。 c：不同金属具有不同的截止频率。（3）光电流正比于光强的解释光强正比于单位时间流过单位面积的光子数。光强越大，光子数越多。金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。但是光子的能量小于逸出功时无光电流。（4）光电效应瞬时性的解释电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。

例1：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率c。例1：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率c。解： λ=196nm

康普顿效应 第2课时

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 1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，这种波长变化的现象叫做康普顿效应。

X 射线管 j 石墨体 (散射物质) X 射线谱仪康普顿散射的实验装置与规律：晶体光阑散射波长 0 探测器

3.康普顿效应的光量子理论解释 X 射线是由一些能量为 =h 的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，光子除了有能量之外还有动量。可见，康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后，电子获得一部分能量，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。康普顿散射进一步证实了光子理论的正确性，还证明了在微观领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。

由相对论光子的质能关系 光子的能量就是动能：光子的动量：光子的能量和动量的关系式为： 4.光子的质量、能量和动量光子的质量由相对论质速关系：光子的静止质量为零。

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。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。

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