第一节光电效应__光子
无敌讲义：光电效应与光子
光电效应的应用(3/3)
• 被观测物因光子少、亮度暗，可利用夜视镜 内的增强器（intensif ier），将极少量的光子 转换成电子，然后加以放大并转换成可见的 影像。
范例 ４ 解答
• 答 (A)(D)(E) •解
(B)赫兹和雷纳等人都比爱因斯坦更早发现 光电效应。爱因斯坦是以光电效应证实光 的粒子性而获奖。
(C)每秒跃出的光电子数目，与高于底限频率 的光照射强度（光子数）成正比。
类题
光电效应的应用(1/3)
• 太阳能电池：利用太阳光照在金属板后，所 产生光电子的电流，供应电器使用。
(A)钠、镁、铜都会产生光电子
(B)只有钠、镁会产生光电子
(C)只有铜会产生光电子
(D)只有镁、铜会产生光电子。
• 答 (B)
类题
范例 ４ 光的粒子性
• 十九世纪末，实验发现将光照射在某些金属表面，会导致电 子自表面逸出，称为光电效应，逸出的电子称为光电子。下 列关于光电效应的叙述，哪些正确？（应选三项） (A)光电效应实验结果显示光具有粒子的性质 (B)爱因斯坦因首先发现光电效应的现象而获得诺贝尔物理奖 (C)光照射在金属板上，每秒跃出的光电子数目与光照射的时 间成正比 (D)光照射在金属板上，当频率低于某特定频率（底限频率或 低限频率）时，无论光有多强，均不会有光电子跃出 (E)光照射在金属板上，当频率高于某特定频率（底限频率或 低限频率）时，即便光强度很弱，仍会有光电子跃出。
2. 1906 年，爱因斯坦提出：当光与物质（如金属） 作用时，像是一小块的能量包，称为“光量子” （light quantum），又称为“光子”（photon）。
3. 在强光中，光子数量多；在弱光中，光子数量少。
光子可视为能量包
高中物理 第2章 第1节 光电效应 第2节 光子教案
第一节光电效应第二节光子[学习目标] 1.知道什么是光电效应现象.2.知道光电流、极限频率、遏止电压的概念，掌握光电效应的实验规律．(重点)3.理解经典电磁理论在解释光电效应时的困难.4.知道普朗克提出的能量量子假说.5.理解爱因斯坦的光子说．(重点、难点)6.会用光电效应方程解释光电效应．(重点、难点)一、光电效应、光电流及其变化1．光电效应：金属在光的照射下发射电子的现象称为光电效应，发射出来的电子称为光电子．2．光电管：光电管是由密封在玻璃壳内的阴极和阳极组成．阴极表面涂有碱金属，容易在光的照射下发射电子．3．光电流：阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流．4．发生光电效应时，入射光的强度增大，则光电流随之增大．二、极限频率和遏止电压1．极限频率对于每一种金属，只有当入射光的频率大于某一频率ν0时，才会产生光电流，ν0称为极限频率(也叫截止频率)．2．遏止电压在强度和频率一定的光照射下，当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压．用符号U0表示．3．遏止电压与光电子最大初动能的关系1mv2max＝eU0.24．经典电磁理论解释的局限性按照光的电磁理论，只要光足够强，任何频率的光都应该能够产生光电子，出射电子的动能也应该由入射光的能量即光强决定．但是实验结果却表明，每种金属都对应有一个不同的极限频率，而且遏止电压与光的频率有关，与光的强度无关．三、能量量子假说与光子假说1．能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν称为一个能量量子，其中ν是辐射频率，h称为普朗克常量．2．普朗克常量：h＝6.63×10－34J·s.3．光子假说：光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子．一个光子的能量为ε＝hν.4．黑体：(1)能够全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体．绝对的黑体实际上是不存在的．(2)普朗克利用能量量子化的思想和热力学理论，才完美地解释了黑体辐射谱．四、光电效应方程及其解释1．逸出功：电子能脱离离子的束缚而逸出金属表面时所需做的最小功．用W0表示．2．光电效应方程：hν＝12mv 2max ＋W 0. 式中hν表示入射光子的能量，ν为入射光的频率．3．光电效应的条件：光子的能量ε＝hν必须大于或等于逸出功W 0.即ν≥W 0h. 4．遏止电压对应着光电子的最大初动能，它们的关系为eU 0＝12mv 2max . 1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)光电子是光照射下发射出来的电子，因此光电子仍然是电子． (√)(2)入射光的频率较高时，会发生光电效应现象，光电流随着光照强度的增强而增大． (√)(3)遏止电压与入射光的强弱无关，与入射光的频率有关．(4)同一频率的光照射不同的金属表面，光电子的最大初动能可能相同．(×)(5)对于某种金属，也就是逸出功W 0一定的情况下，出射光电子的最大初动能只与入射光频率有关，与光的强弱无关． (√)2．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是( )A BC DA [黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量，温度越高，辐射越强越大，黑体辐射的波长分布情况也随温度而变化，温度越高，辐射的电磁波的波长越短，A选项正确．]3．用一束紫外线照射某金属时没有产生光电效应，下列措施中可能产生光电效应的是( )A．换用强度更大的紫外线照射B．换用红外线照射C．换用极限频率较大的金属D．换用极限波长较大的金属D [发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，红外线的频率小于紫外线的频率，紫外线照射不能发生光电效应，换用红外线不能发生光电效应，故A、B选项错误；换用极限频率较大的金属，不能发生光电效应，故C选项错误；根据频率和波长的关系ν＝cλ可知，换用极限波长较大的金属，可以发生光电效应，故D选项正确．]对黑体及黑体辐射的理解1．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况，但如果做一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，如图所示．这是因为从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出．2．黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔．一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理．3．黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关．4．一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强．在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同．A．黑体只吸收电磁波，不辐射电磁波B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及其表面状况无关C．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体D．黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体BD [黑体不仅吸收电磁波，而且也向外辐射电磁波，A错误；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，与材料的种类及其表面状况无关，B正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而空腔不是黑体，C错误；任何物体都会反射电磁波，只吸收不反射电磁波的物体实际是不存在的，故黑体是一种理想化的模型，D正确．]1．(多选)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知 ( )A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动ACD [由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误．]光电效应的实验规律2．几个概念(1)饱和光电流：在光照条件不变时，电流随电压升高而增大到的最大值(I m)．(2)遏止电压：使光电流减小到0时的反向电压(U C)．(3)截止频率：使某种金属发生光电效应的最小频率．又叫极限频率(νc)．不同金属截止频率不同．3．光电效应的实验规律(1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于或等于这个极限频率才能产生光电效应．低于极限频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应现象．(2)光电子最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．(3)入射光照射到金属上时，光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s.(4)当入射光的频率高于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比．4．电磁理论解释光电效应的三个困难电磁理论认为：光的能量是由光的强度决定，而光的强度又是由光波的振幅所决定的，跟频率无关．为ν1的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则( ) A．用紫外线照射，电流表中不一定有电流通过B．用红外线照射，电流表中一定无电流通过C．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片移到a端，电流表中一定无电流通过D．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片向b端滑动时，电流表示数可能不变D [因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，不一定发生光电效应，B错误．即使U AK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑片向b端滑动时U AK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当射出的所有光电子都能达到阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么再增大U AK，光电流也不会增大，D 正确．故正确答案为D.]关于光电效应的三点提醒1．发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的极限频率，即ν＞ν0.2．光电子的最大初动能与照射光的频率及金属有关，而与照射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少．3．在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．2．光电效应实验中，下列表述正确的是( )A ．光照时间越长光电流越大B ．入射光足够强就可以有光电流C ．遏止电压与入射光的频率无关D ．入射光频率大于极限频率才能产生光电子D [在光电效应中，若照射光的频率小于极限频率，无论光照时间多长，光照强度多大，都无光电流，当照射光的频率大于极限频率时，立刻有光电子产生，时间间隔很小，故A 、B 错误，D 正确．遏止电压与入射光频率ν有关，即C 错误．] 光电效应方程的理解及应用(1)光电效应方程E k ＝hν－W 0中，E k 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)光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率ν呈线性关系(注意不是正比关系)，与光强无关．(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即E k ＝hν－W 0>0，亦即hν>W 0，ν>W 0h ＝νc ，而νc ＝W 0h就是金属的极限频率． (4)光电效应方程实质上是能量守恒方程．(5)逸出功W 0：电子从金属中逸出所需要克服原子核的束缚而消耗的能量的最小值，叫做金属的逸出功．光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少．2．光子说对光电效应的解释(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．如果光的频率低于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．(2)当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能E k ＝12mv 2max ＝hν－W 0，其中W 0为金属的逸出功，可见光的频率越高，电子的最大初动能越大．而遏止电压U 0对应着光电子的最大初动能，即eU 0＝12mv 2max .所以当W 0一定时，U 0只与入射光的频率ν有关，与光照强弱无关．(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，所以光电效应的发生几乎是瞬时的．(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多，光电流也就越大．【例3】 紫光在真空中的波长为4.5×10－7m ，问：(1)紫光光子的能量是多少？(2)用它照射极限频率为ν0＝4.62×1014 Hz 的金属钾时能否产生光电效应？(3)若能产生，则光电子的最大初动能为多少？(h ＝6.63×10－34 J·s)[解析] (1)紫光光子的能量E＝hν＝h cλ＝4.42×10－19 J.(2)紫光频率ν＝cλ＝6.67×1014 Hz因为ν>ν0，所以能产生光电效应．(3)光电子的最大初动能为E km＝hν－W＝h(ν－ν0)＝1.36×10－19 J.[答案] (1)4.42×10－19 J (2)能(3)1.36×10－19 J1．极限频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W＝hν0.2．某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比．训练角度1：光电效应中的图象问题3．(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能E k与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出( )A．该金属的极限频率和极限波长B．普朗克常量C．该金属的逸出功D．单位时间内逸出的光电子数ABC [依据光电效应方程E k＝hν－W0可知，当E k＝0时，ν＝ν0，即图象中横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率．图线的斜率k＝E kν－ν0.可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量．根据图象，假设图线的延长线与E k轴的交点为C，其截距大小为W0，有k＝W0ν0.而k＝h，所以，W0＝hν0.即图象中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功．]训练角度2：光电效应方程的应用4．如图所示装置，阴极K用极限波长为λ0＝0.66 μm的金属制成．若闭合开关S，用波长为λ＝0.50 μm的绿光照射阴极，调整两个极板间的电压，使电流表的示数最大为0.64 μA.(1)求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能；(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．[解析] (1)当阴极发射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和．由电流可知每秒到达阳极的电子数，即阴极每秒发射的光电子个数n ＝I m t e ＝0.64×10－6×11.6×10－19 个＝4.0×1012 个 根据光电效应方程，光电子的最大初动能为E k ＝hν－W 0＝h c λ－h c λ0代入数据可得E k ＝9.6×10－20 J.(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，则每秒发射的光电子数加倍，饱和光电流增大为原来的2倍．根据光电效应实验规律可得阴极每秒发射的光电子为n ′＝2n ＝8.0×1012 个光电子的最大初动能仍然为E k ＝hν－W 0＝9.6×10－20 J. [答案] (1)4.0×1012个 9.6×10－20 J (2)8.0×1012个 9.6×10－20 J 课 堂 小 结知 识 脉 络1.能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体．黑体辐射电磁波的强度只与黑体的温度有关．2．能量子：不可再分的最小能量值ε，ε＝hν.3．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，叫光电效应．爱因斯坦光电效应方程： E k ＝hν－W 0.A．黑体辐射随温度的升高，各种波长的辐射强度都增加B．黑体辐射随温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动C．能量子是最小的能量值D．能量子具有粒子性B [根据黑体辐射原理可知，温度升高，各种波长的辐射强度都增强，同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故A选项正确，B选项错误；根据普朗克的能量子假说可知，能量不是连续的，是一份一份的，每一份叫作一个能量子，它是最小的能量值，说明能量子具有粒子性，故C、D选项正确．]2．(多选)如图所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是 ( )A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转C．锌板带的是负电荷D．锌板带的是正电荷AD [将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正电，选项A、D正确，C错误．红光不能使锌板发生光电效应，故B 错误．]3．用不同频率的紫外线分别照射钨板和锌板而产生光电效应，可得到光电子的最大初动能E k 随入射光的频率ν变化的E k ν图象，已知钨元素的逸出功为3.28 eV ，锌元素的逸出功为3.34 eV ，若将两者的图象分别用实线与虚线画在同一个E k ν图上．则下图中正确的是( )A [根据光电效应方程E k ＝hν－W 0可知E k ν图象的斜率为普朗克常量h ，因此图中两图线应平行，C 、D 错；横轴的截距表示恰能发生光电效应(光电子最大初动能为零)时的入射光的频率，即截止频率．由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的截止频率越大，则知能使金属锌发生光电效应的截止频率较大，A 对，B 错．]4．用波长为300 nm 的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J ，已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s －1，求能使锌产生光电效应的单色光的最低频率．(保留1位小数)[解析] 入射光照射到锌板上，发生光电效应，根据光电效应方程E km ＝hν－W 0，其中ν＝c λ，代入数据可知，逸出功W 0＝5.35×10－19J ，能使锌产生光电效应的单色光的最低频率ν0＝W 0h ≈8.1×1014 Hz.[答案] 8.1×1014 Hz。
教学：光电效应与光子
E hf (6.61034 ) (5.01014 ) 3.31019 (J )
(2)光愈弱，则所释放出光电子的动能就愈低。
一、光电效应：
3.但直到 1900年，光电效应的实验显示：
(1)当照射光频率f 超过或等于某一个最低频率 f 0 时，才有光电子被释放出来。
(2)若 f 小于 f 0，则不论照射光的强度有多强，都 无法释放出任何光电子。
一、光电效应：
4.结论：
(1)光电子是否产生只和入射光的频率 有 关， 而和光强度 无 关。
2.
绿光光子能量
E
4.0 1019 (J ) 1.6 1019 (J / eV
)
2.5(eV
)
二、光子：
3.在提出光子概念后，有关光子与物质的作用， 爱因斯坦进一步做了下述假设﹕
(1).光子不是被完全吸收，就是完全不被吸收。 在金属中的电子不可吸收非整数个(如 0.6 个) 光子，而只可吸收一个光子。
1.光波长 λ ，频率 f 与光速 c 之关系： f ＝ c/λ
2.光子能量 E ＝ h f，其中 h = 6.6 ×10－34 J‧s
1.绿光频率
f
c
3.0 108 500 109
6.01014 (Hz)
绿光光子能量
E ＝ h f ＝(6.6×10－34）×（6.0×1014）＝4.0×10－19（J）
二、光子：
2.光量子(light quantum)，后来被称为光子(photon)：
每一个光子的能量 E 直接正比于光的频率 f，
即 E ＝ hf
。
其中 h ＝ 6.63 ×10－34 J‧s 称为普朗克常数 （Planck constant），是由实验所决定的。
光电效应、光子
量子论初步
一、光电效应 光子
请回忆
：
为什么丝绸摩擦过的玻璃棒
带正电？
一、光电效应 实验 问题1：现在用紫外线照射锌板，观察用紫外 线照射锌板时，看到了什么现象?为什么会出 现这种现象?
（看到验电器指针发生了偏转，说明锌板带电． 进一步研究表明，锌板带正电）
问题2：分析电流可能是哪种原因产生的?
二、光子说
1900年德国物理学家 普朗克提出：电磁波 的发射和吸收是不连 续的，而是一份一份 的，每一份电磁波能 量E=hv
其中h为普郎克恒量
（1）量子论：
h=6.63×10－34J· S
Max Planck 1858～1947
普朗克将物理学带进了量子世界。
（2）光子论：
1905年爱因斯坦提 出：空间传播的光 也是不连续的，而 是一份一份的，每 一份称为一个光子 ，光子具有的能量 与光的频率成正比
规律4、当入射光的频率大于极限频率时，光电流
随入射光强度的增大而增大
说明：
① 光电流强度：
反映单位时间发射出的光电子数 的多少
② 入射光强度：
指的是单位时间内入射到金属 表面单位面积上的光的能量
波动说在光电效应上遇到了困难
波动说认为：光的能量即光的 强度是由光波的振幅决定的与 光的频率无关。所以波动说对 解释上述实验规律中的①②④ 条都遇到困难。
规律3、光电效应的发生几乎是瞬时的．
问题4：入射光强不影响光电子的最大初 动能，那么入射光强可以对什么发生影响 呢?
（把紫外线管靠近锌板，改变紫外线管与锌板的距离，检 流计指针偏转幅度相应地发生变化。这个现象说明入射光 强度增大时，光电流强度也增大．精确的实验表明，光电 流强度与入射光强度成正比关系，这是光电效应的第4条规 律．
第一节_光电效应讲解
+U -
b
光电管的应用
（1）开关功能：自动化控制 （2）光电转换：通信领域 （3）能量转换：太阳能电池
探究光电效应的规律
探究一、探究光电流的大小 探究二、探究光电子动能的大小
探究光电效应的规律：
【实验电路 1】 光
A
极限频率ν0 : 每种金属都存在 一极限频率。
实验动画演示
+-
结论1：光电效应的时间：不超过10-9s，瞬时性。
结论2：产生光电效应的条件：入射光频率ν>ν0 结论3：光强度与光电流关系：当入射光频率ν>ν0
时，光的强度越大，光电流越大。
【实验电路 2】
光 阳极
遏止电压 U0 阴极 光电子射出最大初动能
光电子出射后克服电场 力做功，由动能定理得：
A
- eU0
0-
1 mV2
2
max
+- +-
所 以 ：1 mV2
光电效应最先由赫兹发现。 他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905 年诺贝尔物理奖。 爱因斯坦提出光子论从理论上成功解决光电效应面临 的难题并因此获1921年诺贝尔物理奖。 美国物理学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦理 论，并获1923年诺贝尔物理奖。 光电效应的科学之光经众多物理学家前赴后继，三十 年努力求索，在物理学史上成为绚丽夺目的篇章……
1，入射光照到金属上时，光电子的发射是瞬时的， 一般不超过10-9s
2，极限频率ν0：任何金属都存在一极限频率 产生光电效应条件：入射光频率ν>ν0
3，当入射光的频率ν>ν0时，入射光的强度越大， 光电流越大
4，光电子最大初动能与入射光强度无关，只随入射 光频率的增大而增大
光电效应与光子光电效应与光子理论
光电效应与光子光电效应与光子理论光电效应与光子理论光电效应和光子理论是现代光学中的两个重要概念，它们对于理解光的性质和相互作用具有重要的意义。
本文将从光电效应和光子理论的基本概念入手，探讨它们的原理和应用。
一、光电效应的基本概念与原理光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，会引起电子从原子或晶体中解离出来的现象。
这一现象的关键在于光子的能量量子化，光子具有一定的能量，当光子的能量大于某一特定能量（称为光电离能）时，光子与物质相互作用将导致电子的解离。
光电效应的原理可以用波粒二象性解释。
根据爱因斯坦的光电效应理论，光的能量以量子的形式存在，能量量子被称为光子。
光子的能量E与频率f的关系为E=hf，其中h为普朗克常数。
当光子的能量大于光电离能时，光子与金属表面的电子发生碰撞，电子吸收光的能量而被激发出来。
如果光子的能量小于光电离能，光子的能量不足以使电子脱离原子束缚，电子将不会被解离出来。
光电效应的应用十分广泛。
它被应用于太阳能电池的原理中，光电效应通过将太阳光转化为电能，实现了可再生能源的利用。
此外，光电效应还被用于研究光的波动性和微观粒子性，深化了对光学现象的认识。
二、光子的概念与特性光子理论是描述光的微粒特性的理论，它将光看作由光子组成的微粒。
光子是量子力学中描述光的基本概念，具有波粒二象性。
根据光子理论，光是由一系列能量量子化的光子组成的。
每个光子都带有一定的能量和动量，能量与频率的关系为E=hf，动量与波长的关系为p=hf/c（其中c为光速）。
光子具有粒子的性质，比如能量守恒和动量守恒，同时也具有波动的性质，如干涉和衍射现象。
光子的概念在量子力学和光学的研究中起到了重要作用。
它不仅解释了光的波粒二象性，还为理解微观粒子的行为和相互作用提供了基础。
光子的概念也相应地促进了光通信、激光技术和光谱学等领域的发展。
三、光电效应与光子理论的联系与应用光电效应和光子理论是密切相关的，它们共同揭示了光与物质相互作用的微观机制。
第二十一章 量子论初步
需克服原子核的吸引而做功 脱离金属所需做功的最小值：逸出功W
Ek = hν – W
解释勒纳德实验结果 1.光电效应是否发生取决于光的频率； 2.对于同种频率的光，光电子的最大初速 度与光的强度没有关系； 3.光电效应瞬时发生。
Robert Andrews Millikan 1868-1953
由于对数学和物理学的成就，特别是对光 电效应的解释，爱因斯坦获得192ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ年诺贝 尔物理学奖 由于对基本电荷的研究以及对光电效应方 程的证实，密立根获得1923年诺贝尔物理 学奖
第一节 光电效应 光子
重庆市第一中学校 李忠相
光电子 光 G 电 流
G
V
A K
P.E.A.Lenard,1862-1947
S
1.光电效应是否发生竟然取决于光的频率！ 2.对于同种频率的光，光电子的最大初速 度竟然与光的强度没有关系！ 3.光电效应竟然瞬时发生！
Albert Einstein 1879－1955 1.光量子（光子） 光的发射、传播和吸收均以光子为基本单位 每个光子能量：E=hν h=6.63×10-34J•s，普朗克常数 2.光子被吸收过程 一个光子的能量一次性全部被吸收 一个电子一次只吸收一个光子的能量 3.电子逸出过程
G
A K
V P
S
在上图中，已知当开关S闭合时G表有示数。 （1）若将滑片P逐渐向右滑动，G表示数如何变化？ （2）若将电源正负极反向再将滑片P向右滑动，G 表示数又如何变化？ （3）在第（2）问中G表示数稳定后，若增大入射光 强度而频率不变，G表示数又有何变化？ （4）在第（2）问中G表示数稳定后，若增大入射光 频率而强度不变，G表示数又有何变化？
光电效应与光子能量的关系
光电效应与光子能量的关系光电效应是指当光照射到某些金属或半导体表面时，会促使电子从固体中脱离出来，并形成电流的现象。
这一现象的发现不仅为爱因斯坦赢得了诺贝尔物理学奖，而且也为量子物理学的发展提供了重要的理论基础。
在探究光电效应时，我们也不得不深入研究光子能量与光电效应之间的关系。
首先，我们需要了解光子是什么以及它们如何与光电效应相关。
光子是光的最基本单位，它具有粒子和波动性质。
当光通过空间传播时，就是以光子的形式存在的。
光子的能量与它的频率成正比。
量子力学告诉我们，光子的能量由洛厄定律给出，即E = hf，其中E表示光子的能量，h是普朗克常数，f是光子的频率。
光电效应的发生是由光子与材料中原子的电子相互作用引起的。
当光子照射到金属或半导体的表面时，光子会与材料中的电子相互作用，并传递能量给电子。
根据洛厄定律，光子的能量与其频率成正比，因此可以得出结论：光子的能量越高，与电子相互作用传递能量的能力就越强。
进一步探究光电效应与光子能量之间的关系，我们需要考虑到发生光电效应的光电子能级。
金属或半导体中的电子处于不同的能级，当光子能量等于或高于特定能级时，电子就能被激发并脱离固体。
这个特定的光子能量阈值被称为工作函数。
可以通过调整光源的频率来改变光子的能量，从而控制光电效应的发生。
实验表明，光电效应的电流强度与光子的能量有很强的关联。
当光子的能量低于工作函数时，即使有大量的光子照射到金属或半导体上，也不会引发明显的光电效应。
但当光子的能量高于工作函数时，光电效应就会显著增强，电流强度也会随之增加。
这表明光子的能量越高，产生光电效应所需的光子数量就越少，因为能够激发电子的光子更容易。
除了光子能量与电流强度之间的关系外，光电效应还可以用来解释光电池等光电器件的工作原理。
光电池是将光子能量转换为电能的装置。
在光电池中，光子被吸收并激发电子，电子随后移动产生电流。
由于光子能量与电子的激发和电流强度之间的关系，光电池效率的提高很大程度上取决于光子能量的选择。
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巩固练习：
4、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪 一种方法可能使该金属发生光电效应（ ） D A. 增大入射光的强度 B. 增加光的照射时间 C. 改用黄光照射 D. 改用紫光照射
5、已知铯的极限频率为4.545×1014Hz，钠为6.0×1014Hz， 银为1.153×1015Hz，铂为1.529×1015Hz，当用波长为375nm 铯和钠 的光照射它们时，可发生光电效应的是__________________。 （光速c=3.0×108m/s，光速与波长、频率的关系：c =λf ）
爱因斯坦的光子假说：
爱因斯坦在1905年提出在空间传播的光不 是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一 个光量子，简称光子，光子的能量E 跟光的 频率ν成正比。 光子的能量 E＝hν
• 光电效应的实验规律。 • a．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这 个频率叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ。叫做红限波长。不 同物质的极限频率”不同。 • b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。这 就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。 • c．产生光电流的过程非常快，一般不超过lO-9秒；停止用光照射，光电流 也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。 • 解释： 1、按照波动理论，光的能量应该与光波振动的振幅（宏观表现就是 发光强度）成正相关，则不管用什么频率的光，只要发光强度足够大，绝 对可以产生光电效应的，然而a、b均说明光的能量与发光强度无光，只与 光的频率有关； • 2、按照波动理论，能量是逐渐传递地，也就是说，各种不同强度的光照射， 发生光电效应的时间应该是均不相同的，然而c又否定了这点； • 3、 用光子说来解释就很容易： 光子理论认为，光是由一份份光子组成， 光的传播是一份份光子的传播，一个光子的能量为E=hr(h为普朗克常数 6.63*10^-34,r为光的频率)，因此，只要一个光子能量大于金属的逸出功 （电子脱离金属原子做的功），电子就会从金属表面脱离；于是，只需光 照射到金属表面就会产生光电流，无需时间积累，因此，该过程是瞬时的。
如果ν>ν0当入射光照 射到物体时，无论光 强怎样，几乎瞬间就 产生了光电子
光的波动说的缺陷
按照光的波动说,光电子于 光的频率。
无法解释极限频率的存在。
无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。
光的波动理论在解释 光电效应时遇到了巨大的 困难。后来，爱因斯坦在 普朗克量子化理论的启发 下，提出了光子学说．
爱因斯坦由于对光电效 应的理论解释和对理论 物理学的贡献获得1921 年诺贝尔物理学奖
。
密立根由于研究基本电荷和 光电效应，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝尔 物理学奖
六、光电方程 光子说对光电效应的解释：
使金属表面的电子能挣脱原子核的引力而逸出 成为光电子所需做的功叫逸出功
这个故事形象地说明 了时间和空间的相对 性。
2、相对论的建立--爱因斯坦
狭义相对论 相 对 论 打破经典力学的绝对时空观 1905年《论动体的电动力学》 时间和空间都与物质的运动有关，随着物质运 动速度的变化而变化。
广义相对论
进一步深化对时间空间和引 力现象的认识
物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的， 空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，空 间弯曲的程度体现为引力场强度。 广义相对论第一次阐述了四维时空和物质的 分布相联系的重要思想。
二、现代物理学理论的发展
1、量子论的诞生与发展──普朗克
标志： 《关于正常光谱能量分布定律
的理论》
发展：（1）德国爱因斯坦：解释光电
效应，得出光具有波粒二象性；
（2）法国德布罗意：提出物质波理论； （3）奥德物理学家：建立量子力学 影响：标志着人类对客观规律的认识，开始从宏观世界 深入到微观世界。改变了近代物理学中的传统观念,使 物理学乃至整个自然科学的观念发生了重大变革。
关系： 近代科学在否定中发展，在继承中发展， 在综合中发展。
经典力学体系的历史地位
理论的综合：牛顿力学体系对自然界的力学现 象做出了系统、合理的说明，从而完成了人类对自 然界认识史上的第一次理论大综合。 经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。 实践的验证：根据万有引力定律，人们准确地算 出地球的平均密度和扁平率，正确地解释了潮汐的 成因。根据这一定律，人们还发现了海王星、冥王 星。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
定义： 在光(包括不可见光)的照射下，从物体发
发射出来的电子叫做光电子
射（逸出）电子的现象叫做光电效应。。
按光的波动说，金属在光的照射下，金属 中的电子受到入射光振动的作用而作受迫 振动，这样将从入射光中吸收能量，从而 飞出表面，飞出时初动能应决定于光振动 振幅，即取决于光强，光强越大，光电子 初动能就越大，所以光电子初动能应与光 强成正比。但是，实验结果表明，光电子 初动能只与光的频率有关，而与光强无关。
1、经典力学的奠基者——伽利略
亚里士多德：
力学观：必须有力作用在物体上， 物体才能运动，没有力的作用，物 体就会静止。 伽利略： 通过观察、实验和推理，得出结论： 如果运动物体不受阻碍，它将速度 保持不变地持续运动下去。 突出成就：创立自由落体定律
2、经典力学的建立者——牛顿
经 典 力 学 体 系
每种金属都有各自对应的极限频率。
对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频 率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应。
经典物理理解释不了此规律
按经典波动光学理论，无论何种频率的光 照射在金属上，只要入射光足够强，使电 子获得足够的能量，电子就能从金属表面 逸出来。这就是说，光电效应发生与光的 频率无关，只要光强足够大，则就能发生 光电效应，不应存在极限频率。 但是，实验表明，只有在入射光的频率大 于极限频率时，才能发生光电效应。
惯性定律 物理运动 三大定律 万有引力 定律 加速度定律 作用和反作用定律
牛顿力学体系及数学、 天文学方面的研究成果记 载在他的科学巨著《自然 哲学的数学原理》中。
牛顿的成就与前人研究成果的关系? “巨人肩上的思索”
牛顿曾谦逊地说：“如果我比 别人看得远些，那是因为我站在巨 人们的肩上。”
牛顿成功的条件： 前人基础（伽利略、笛卡尔、开普勒）； 注重实验。
优美的理论—相对论
关于相对论，有人说： 这个形式简洁优美的理论 蕴藏了太多令人惊讶的内 容，100年来，人们时时 从中悟出宇宙层出不穷的 奥秘，直到今天，这里还 有很多内容没有被我们悟 透。……
爱因斯坦关于相对论的比喻。
爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说： “我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐 在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的 时间你觉得哪一个更长？”男青年说：“当然 坐在火炉上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说： “这就是我的相对论内容。”
W h 0
在光电效应中，入射光的能量等于出射的光电 子的最大初动能与逸出功之和： 即： h E W 或 E h W km km 这叫爱因斯坦光电效应方程，简称光电方程
巩固练习：
物体在光的照射下发射电子 1、___________________________的现象称为光电效应，发射出 光电子 来的电子叫____________ 。 光 电 2、光电管的作用是把 _______ 信号转变为______信号。由 光电流 于光电管发生光电效应而在电路中形成的电流叫_________。 3、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵 敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器指针张开一 个角度，如图所示，这时 ( B ) A．锌板带正电，指针带负电 B．锌板带正电，指针带正电 C．锌板带负电，指针带正电 D．锌板带负电，指针带负电
爱因斯坦的“时空弯曲”概念
光本性学说的发展史上的五个学说 1.牛顿的微粒说：光是高速粒子流，解释光的直进，光的 反射。 微粒说：认为光是一种粒子 代表人物：牛顿
2.惠更斯的波动说：光是某种振动，以波的形式向周围传 播，解释光的干涉和衍射，光的直进，光的反射。 波动说：认为光是一种波 代表人物：惠更斯 3.麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波，发展了光的波动 理论。 光的电磁说：光是电磁波 提出者：麦克斯韦
11、三种不同的入射光线甲、乙、丙分别照射在三种不同的 金属a、b、c上，均恰能使金属中逸出光电子。已知三种光 线的波长λ甲>λ乙>λ丙，则： A A、用三种入射光照射金属a ，均可发生光电效应 B、用三种入射光照射金属c ，均可发生光电效应 C、用入射光甲和乙同时照射金属c，可能发生光电效应 D、用入射光甲照射金属b ，可能发生光电效应
8、用绿光照射一光电管能产生光电效应，欲使光电子从阴 极逸出时的最大初动能增大应（ D ） A．改用红光照射 B．增大绿光的强度 C．增大光电管上的加速电压 D．改用紫光照射
9、已知某单色光的波长为λ，在真空中的传播速度为c，普朗 克常量为h，则该电磁波辐射的能量子的值为( ) A A．hc /λ B．hλ/c C．h /λ D．hcλ 10、某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，真空 中光速为c，普朗克常量为h，则该激光器每秒发射的光量 子数为 ( A ) A. λP / hc B. hP/λc C. λcP / h D. hλP / c
三、波动理论对光电效应的解释的困难：
波动理论
困难1 光能由振幅决定，与光频率 无关，只要光强足够大（不 论入射光的频率高低），总 可以使电子获得足够的能量 从而发生光电效应
光电效应实验结果
如果ν>ν0，无论光强 有多大，都不能发生 光电效应，光能应由 光频率来决定
困难2 光强大时，电子能量积累的 时间就短，光强小时，能量 积累的时间就长
巩固练习：
6、某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出， 若光的频率不变而强度减弱，那么下述结论中正确的是 A．光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出 B B．逸出的电子数一定减少 C．逸出的电子数有可能增加 D．逸出的电子数有可能不变 7、下列关于光电效应的说法正确的是（ D ） A．光电子的动能随照射光频率的增大而增大 B．光电子的初速度与照射光的频率成正比 C．光电子的最大初动能与照射光的频率成正比 D．光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大