普通高中物理选择性必修三 第四章第2节 光电效应

这是一篇关于光电效应的思维导图，主要内容包括：光电效应的实验规律、光电效应经典解释中的疑难、爱因斯坦的光电效应理论、康普顿效应和光子的动量及光的波粒二象性。作为备课参考。

• 普通高中物理选择性必修三 第四章第2节 光电效应
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 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。
  • 实验发现
    • 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。
      • 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，这种电子称为光电子。
• 光电效应的实验规律
• 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。
  • 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。
  • 研究电路
    • 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。
    • 阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中两电极，阴极K在受到光照时能发射光电子。
    • 阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。
    • 按图示极性连接电路时，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。
• 光电效应的实验规律
  • 存在截止频率
    • 当入射光的频率减小到某一数值nc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。
      • nc称为截止频率或极限频率。
      • 当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。
    • 不同金属的截止频率不同。
      • 截止频率与金属自身的性质有关。
  • 存在饱和电流
    • 在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。
      • 在电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会再进一步增大了。
    • 在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子数目是一定的。
      • 电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。
    • 在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。
      • 对于一定频率（颜色）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
  • 存在截止电压
    • 使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。
      • 反向电压，阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。
      • 光电子初速度的上限为vc
    • 同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，截止电压都一样的。光的频率改变时，截止电压也会改变。
      • 对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。
  • 光电效应具有瞬时性
    • 当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。
      • 精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时发生的。
• 光电效应经典解释中的疑难
• 思考与讨论 金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出 金属表面，这是为什么呢？
• 逸出功
  • 金属表面层内存在一种力，阻碍电子从金属表面逃逸。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。
    • 要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。
    • 电子要想从金属中脱离，至少要吸收W0的能量。
    • 不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。
  • 几种金属的截止频率和逸出功
• 光电效应经典解释及疑难
  • 与实验相符的结论
    • 当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。
    • 光越强，逸出的电子数越多，光电流就越大。
  • 与实验不符的结论
    • 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。
    • 光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压应该与光的强弱有关。
    • 如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。
• 爱因斯坦的光电效应理论
• 对于光电效应的解释，爱因斯坦是在普朗克量子假说的基础上作出的，在这个假说的启发下，爱因斯坦在1905年发表了题为《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的文章。
  • 爱因斯坦的观点
    • 光子
      • 仅仅认为振动着的带电微粒的能量不连续是不够的，为了解释光电效应，必须假定电磁波本身的能量也是不连续的。
      • 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为n的光的能量子为hn，这些能量子后来称为光子。
        • h为普朗克常量
  • 爱因斯坦光电 效应方程
    • 当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hn，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。
    • • Ek为光电子的最大初动能。
  • 光电效应方程对光电效应实验中各种现象的解释
    • • 只有当hn>W0时，光电子才可以从金属中逸出。
        • 光电效应的截止频率
      • 光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关，与光的强弱无关。
        • 截止电压和光强无关。
      • 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间。
        • 光电流几乎是瞬时产生的。
      • 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也较多。
        • 光的频率相同时，入射光越强，饱和电流越大。
• 思考与讨论 怎样得到截止电压Uc与光的频率和逸出功之间的关系呢？
  • 光电子的初动能
  • 爱因斯坦光电效应方程
  • • 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。
    • 截止电压Uc与光的频率之间是线性关系，Uc-n图像是一条斜率为h/e的直线。
  • 从1907年起美国物理学家密立根开始测量光电效应中几个重要的物理量。
    • 实验目的
      • 测量金属的截止电压与入射光的频率，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。
    • 实验结果
      • 两咱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。
• 爱因斯坦由于提出光电效应理论而获得1921年的诺贝尔物理学奖。
• 康普顿效应和光子的动量
• 光可以与介质中的物质微粒发生散射，改变传播方向。
  • 康普顿效应
    • 1918~1922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l0相同的成分外，还有波长大于l0的成分，这个现象称为康普顿效应。
    • 康普顿的学生，中国留学生吴有训测试多种物质对X的散射，证实了康普顿效应的普遍性。
  • 经典物理学无法解释康普顿效应
    • 经典物理学理论，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微粒受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率，X射线的波长也不会在散射中发生变化。
  • 光子模型解释 康普顿效应
    • 基本思想
      • 基本思想：光子不仅具有能量，而且具有动量。
        • 1916年，爱因斯坦就在一篇关于辐射问题的论文中提出了光子具有动量。
        • 光子的动量
    • 假定理论
      • 在康普顿效应中，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，光子动量可能会减少。
      • 动量减少，意味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。
• 光的波粒二象性
  • 光是一种电磁波
    • 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。
  • 光的粒子性的认识
    • 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。
      • 光电效应和康普顿效应重新提示了光的粒子性。
    • 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。
  • 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
    • 最终建立的比较完善的，能统一描述光的波动性和粒子性的理论——量子电动力学。
• 主题
  • 光的本质
    • 牛顿时代光的微粒说
    • 惠更斯和托马斯×杨的光的波动说
    • 麦克斯韦的光的电磁理论
    • 爱因斯坦的光子理论
    • 量子电动力学
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