第四章 原子结构和波粒二象性\n2．光电效应\n课前预习反馈课内互动探究课堂达标检测目标体系构建核心素养提升\n目标体系构建\n【学习目标】1．知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。2．知道爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。3．了光的波粒二象性。\n【思维脉络】\n课前预习反馈\n1．光电效应定义照射到金属表面的光，能使金属中的________从表面逸出的现象。2．光电子光电效应中发射出来的________。电子知识点1光电效应现象和实验规律电子\n3．光电效应的实验规律(1)截止频率：当入射光的频率________到某一数值νc时，光电流消失，表面已经没有光电子了，νc称为截止频率。(2)存在着________电流。入射光强度一定，单位时间内阴极K发射的光电子数________。入射光越强，饱和电流________，表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数________。(3)遏止电压：施加反向电压，使光电流减小到0的____________Uc称为遏止电压。(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，光电效应几乎是________发生的。减小饱和一定越大越多反向电压瞬时\n4．逸出功使电子________某种金属所做功的__________，叫作这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸出功________。脱离最小值不同\n1．光子说(1)内容光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且________就是由一个个不可分割的_________组成的，频率为ν的光的能量子为________，这些能量子称为光子。(2)光子能量公式为ε＝hν，其中ν指光的________。光本身知识点2爱因斯坦的光电效应理论能量子hν频率\n2．光电效应方程(1)对光电效应的说明在光电效应中，金属中的电子吸收____________获得的能量是________，其中一部分用来克服金属的____________，另一部分为光电子的____________。(2)光电效应方程Ek＝____________。一个光子hν逸出功W0初动能Ekhν－W0\n3．对光电效应规律的解释(1)光电子的最大初动能与入射光________有关，与光的________无关。只有当hν________时，才有光电子逸出。(2)电子__________吸收光子的全部能量，__________积累能量的时间。(3)对于同种颜色的光，光较强时，包含的__________较多，照射金属时产生的__________较多，因而饱和电流较大。频率强弱＞W0一次性不需要光子数光电子\n说明：①光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子就多，因而饱和电流大；②入射光的强度，指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强与光子数成正比；③单位时间内发射出来的电子数由光强决定。\n1．康普顿效应在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长________λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。2．光子的动量光子不仅具有能量，而且具有________，公式：p＝______。大于知识点3康普顿效应和光子的动量动量\n思考辨析『判一判』(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。()(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。()(3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。()(4)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。()(5)光子发生散射后，其波长变大。()××√×√\n『选一选』(多选)(2021·北京市临川育人中学高二下学期期中)如图所示，电路中所有元件完好，当光照射到光电管上时，灵敏电流计中没有电流通过，可能的原因是()A．入射光强度较弱B．入射光波长太长C．光照射时间太短D．电源正负极接反BD\n解析：光电管能否产生光电效应与入射光的强度、光照时间没有关系，当入射光波长小于金属的极限波长时，即入射光频率大于金属的极限频率时，金属才能产生光电效应，A、C错误；若入射光波长大于金属的极限波长时，金属不能产生光电效应，灵敏电流计中没有电流通过，B正确；电源正负极接反时，光电管加上反向电压，光电子做减速运动，可能到达不了阳极，电路中不能形成电流，D正确。\n『想一想』如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了电。你知道锌板是怎样带上电的吗？\n答案：锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度。\n课内互动探究\n探究光电效应现象及其实验规律情景导入如图所示的光电管电路中，用紫光照射光电管，灵敏电流计G指针未发生偏转，回答下列问题。\n(1)用紫外线照射，灵敏电流计指针可能发生偏转吗？(2)光电效应中的光电子就是光子吗？(3)增大紫光的光照强度可以使灵敏电流计指针发生偏转吗？(4)当用紫外线照射有光电子射出金属，不断增大电压，灵敏电流计指针偏角会持续增大吗？提示：(1)可能。发生光电效应取决于光照频率。(2)不是，光电子与光子是两回事，光电子是电子。(3)不能。(4)当电压增大到一定值后光电流不会持续增加，达到饱和光电流，因此指针偏角不会持续增大。\n1．光电效应现象存在遏止电压和截止频率，当所加电压U为0时，电流I并不为0。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流才有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。要点提炼\n当光照射在金属表面时有电子从金属表面逸出，但并不是任何频率的入射光都能引起光电效应。对于某种金属材料，只有当入射光的频率大于某一频率νc时，电子才能从金属表面逸出，形成光电流。当入射光的频率小于νc时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明没有光电子逸出，这一频率νc称为截止频率或极限频率。截止频率与阴极材料有关，不同的金属材料的νc一般不同。如果入射光的频率ν小于截止频率νc，那么，无论入射光的光强多大，都不能产生光电效应。\n2．光电效应与经典电磁理论的矛盾。(1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。\n(2)矛盾之二：存在截止频率按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于遏止频率时才会发生光电效应。(3)矛盾之三：具有瞬时性按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时的。\n(2021·江苏盐城期末)如图所示，闭合开关后，当光照射到光电管K极时，灵敏电流计指针没有发生偏转，检查电路没有发现断路情况，各元件也正常。发生这种情况可能的原因是()A．电源电压太高B．入射光波长太长C．入射光强度较弱D．光照射时间太短典例1典例剖析B\n解析：由图可知，闭合开关后，电源提供的电压为正向电压，只要能发生光电效应，电路中就有电流，故A错误；若入射光波长太长，入射光的频率可能会低于截止频率，此时金属不能产生光电效应，而能否产生光电效应与入射光的强度以及光照射的时间都无关，故B正确，C、D错误。\n1．(2021·吉林长春东北师大附中段考)下列关于光电效应现象的表述中，错误的表述是()A．光电效应是指照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象B．光电效应存在截止频率C．照射光光强太弱时不可能发生光电效应D．光电效应几乎是瞬时发生的对点训练C\n解析：光电效应是指照射到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出的现象，A正确；根据光电效应的实验规律可知，B、D正确；光电效应现象是否发生与入射光的强度无关，当入射光的频率大于截止频率时，就可以发生光电效应，C错误。\n探究光电效应方程的理解情景导入深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航标灯指引航道，如图所示是一个航标灯自动控制电路的示意图。电路中的光电管阴极K涂有可发生光电效应的金属。下表反映的是各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长，又知可见光的波长在400～770nm(1nm＝10－9m)。\n各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长：金属铯锌银铂极限频率(Hz)4.545×10148.065×10141.153×10151.529×1015极限波长(μm)0.66000.37200.26000.1962试分析：(1)光电管阴极K上应涂有哪种金属？(2)控制电路中的开关S应接触“a”还是“b”？\n提示：(1)因为可见光的波长只小于铯的极限波长，所以光电管阴极K上应涂有金属铯。(2)夜晚没有光，不能发生光电效应，但是指示灯亮，知开关S与b端相连。\n1．对光电效应方程的理解(1)光电子的动能方程Ek＝hν－W0中，Ek为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值。(2)方程实质方程Ek＝hν－W0实质上是能量守恒方程。要点提炼\n\n(4)截止频率νc方程Ek＝hν－W0表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν存在线性关系(如图所示)，与光强无关。图中横轴上的截距是遏止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量。\n(5)逸出功方程Ek＝hν－W0中的逸出功W0为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量，不同金属的逸出功是不同的。\n2．光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索(2)两个关系光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。\n3．光电效应几种图像的对比\n\n\n(1)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。(2)光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。特别提醒\n(2020·云南省云天化中学高二春季开学试题)某金属发生光电效应，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν之间的关系如图所示。典例2典例剖析\n已知h为普朗克常量，e为电子电荷量的绝对值，结合图像所给信息，下列说法正确的是()C解题指导：(1)根据图像可直接读出极限频率；(2)根据光电效应方程可分析入射光频率、遏止电压、金属的逸出功和最大初动能之间的关系。\n\n2．(2021·北京市昌平区高二月考)图甲是光电效应的实验装置图，图乙是光电流与加在阳极A和阴极K上的电压的关系图像。对点训练\n下列说法正确的是()A．饱和电流的大小，由入射光的颜色决定B．只要增大电压，光电流就会一直增大C．对某种确定的金属，其遏止电压只由入射光的频率决定D．不论哪种颜色的入射光，只要光足够强，就能发生光电效应C\n解析：通过图像分析得出，饱和电流的大小，由入射光的强度决定，A错误；通过图像分析得出，当达到饱和电流后，继续增加电压，电流不再增大，B错误；根据图像分析得出，光电流为零时，eUc＝hν－W0，所以其遏止电压只由入射光的频率决定，C正确；只有当光的频率高于截止频率才能发生光电效应，与光强无关，D错误。\n3．用如图所示的装置研究光电效应现象。当用光子能量为2.75eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零；移动变阻器的触头c，发现当电压表的示数大于或等于1.7V时，电流表示数为0，则下列说法正确的是()A．光电子的最大初动能始终为1.05eVB．光电管阴极的逸出功为1.05eVC．当滑动触头向a端滑动时，反向电压增大，电流增大D．改用能量为2.5eV的光子照射，移动变阻器的触头c，电流表G中也可能有电流BD\n解析：由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，同种金属的逸出功相同，所以光电子逸出后的最大初动能取决于获得的能量，A错误；当电压表示数大于或等于1.7V时，电流表无示数，说明遏止电压为1.7V，由eU＝Ek，Ek＝hν－W0，可求得光电管的逸出功为1.05eV，B正确；若光的频率不变，反向电压大于遏止电压后电路中就不再有电流，C错误；当入射光频率超过截止频率，且反向电压小于遏止电压，电路中就会有电流，D正确。\n探究光的波粒二象性情景导入曾有一位记者向物理学家诺贝尔奖获得者布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”那么光的本质到底是什么呢？关于光的本质的认识有哪些学说？\n提示：光具有波粒二象性。①牛顿——微粒说；②托马斯·杨和菲涅耳——波动说；③麦克斯韦——电磁说；④爱因斯坦——光子说；⑤光的波粒二象性。\n1．光的波粒二象性的理解要点提炼实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述(2)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质(3)波长长的光容易表现出波动性(1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的(2)光的波动性不同于宏观观念的波\n实验基础表现说明光的粒子性光电效应、康普顿效应(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性(3)波长短的光，粒子性显著(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的(2)光子不同于宏观观念的粒子\n2．光的波粒二象性(1)大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，如果用强光照射，在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性，如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点，粒子性得到充分体现；但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律。这些实验，为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据。\n(2)光子和电子、质子等实物粒子一样具有能量和动量，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，如光子与电子的作用是一份一份进行的，这些都体现了光的粒子性。(3)对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。\n\n下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子与电子是同样的一种粒子C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D．大量光子的行为往往显示出粒子性解题指导：在宏观现象中，波与粒子是对立的概念，而在微观世界中，波与粒子可以统一。光具有波粒二象性是指光在传播过程中和同其他物质作用时分别表现出波和粒子的特性。典例3典例剖析C\n解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子。虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子。\n光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著，故选项C正确，A、B、D错误。\n4．人类对光的本性认识的过程中先后进行了一系列实验，如图所示的四个示意图所表示的实验说明光具有波动性的是__________，说明光具有粒子性的是______。对点训练ABDC\n解析：C为光电效应实验，证明了光的粒子性；其余的三个实验均证明了光的波动性。\n核心素养提升\n光电效应中几个易混淆的概念1．光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电，光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。\n2．光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。光电子的初动能小于等于光电子的最大初动能。\n3．光子的能量与入射光的强度光子的能量即每个光子的能量，其值为E＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量；入射光的强度等于单位时间内入射光子数与光子能量的乘积。4．光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。\n用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应，这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是______，可能相同的是______，一定不相同的是________。A．光子的能量B．金属的逸出功C．光电子动能D．光电子最大初动能案例ACBD\n解析：光子的能量由光的频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同，逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最小的功，因此只由材料决定，锌片和银片的逸出功一定不相同。由Ek＝hν－W，照射光子能量hν相同，逸出功W不同，则光电子最大初动能也不同，由于电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的动能可能分布在零到最大初动能之间，所以，两个不同光电效应的光电子中，动能是可能相等的。\n课堂达标检测\n1．(2021·北京101中学高二月考)如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在验电器上，当用某频率的紫外线照射锌板时，发现验电器指针偏转一定角度，\n下列说法正确的是()A．验电器带正电，锌板带负电B．验电器带负电，锌板也带负电C．若改用红光照射锌板，验电器的指针一定也会偏转D．若改用同等强度频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转D\n解析：用紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板连接，则验电器带正电，故AB错误；根据光电效应的条件可知若改用红光照射锌板，不一定能发生光电效应，所以验电器的指针不一定会发生偏转，C错误；根据光电效应的条件可知发生光电效应与光的强度无关，若改用同等强度频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转，D正确。\n2．(多选)(2021·吉林省实验中学高二月考)根据爱因斯坦“光子说”可知，下列说法错误的是()A．“光子说”本质就是牛顿的“微粒说”B．光的波长越大，光子的能量越小C．一束单色光的能量可以连续变化D．只有光子数很多时，光才具有粒子性ACD\n\n3．(多选)(2020·山西省忻州市第一中学高二下学期期中)如图所示，是研究光电效应的电路图，对于某金属用绿光照射时，电流表指针发生偏转。\n则以下说法正确的是()A．将滑动变阻器滑动片向右移动，电流表的示数不一定增大B．如果改用紫光照射该金属时，电流表无示数C．将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，电流表的示数一定增大D．将电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，将滑动变阻器滑动片向右移动一些，电流表的读数可能不为零AD\n解析：滑动变阻器滑片向右移动，电压虽然增大，但若已达到饱和电流，则电流表的示数可能不变，故A正确；如果改用紫光照射该金属时，因频率的增加，导致光电子最大初动能增加，则电流表一定有示数，故B错误；将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，则光电子的最大初动能增加，但单位时间里通过金属表面的光子数没有变化，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也不变，饱和电流不会变化，则电流表的示数不一定增大，故C错误；电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，将滑动变阻器滑片向右移一些，此时的电压可能小于反向遏止电压，则电流表仍可能有示数，故D正确。
