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第2节光电效应波粒二象性一、光电效应及其规律1．光电效应：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射出电子的现象．2．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这个极限频率才能发生光电效应，低于这个极限频率则不能发生光电效应．(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大．(3)金属受到光照，光电子的发射一般不超过10－9s.(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比．(1)照射光的频率决定着是否发生光电效应及光电子的最大初动能．(2)光电子是金属表面受光照射逸出的电子，光电子也是电子，与光子不同，光子的本质是光．二、光子说对光电效应规律的理解1．光子说爱因斯坦提出：空间传播的光不是连续的，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，即：E＝hν，其中h＝6.63×10－34J·s.2．爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0(Ek是光电子的最大初动能；W0是逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功)．3．用图象表示光电效应方程(1)最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线如图．(2)由曲线可以得到的物理量①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标ν0.②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝E.③普朗克常量：图线的斜率k＝h.4．对光电效应规律的解释对应规律对规律的产生的解释存在极限频率ν0电子从金属表面逸出，首先必须克服金属原子核的引力做功W0，要使入射光子能量不小于W0，对应的频率ν0＝，即极限频率光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关电子吸收光子能量后，一部分克服阻碍作用做功，剩余部分转化为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能，对于确定的金属，W0是一定的，故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大效应具有瞬时性光照射金属时，电子吸收一个光子的能量后，动能立即增大，不需要能量积累的过程光较强时饱和电流大光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大光电效应方程研究的对象是从金属表面逸出的光电子，其列式依据为能量的转化和守恒定律．三、用光电管研究光电效应1．常见电路2．光电流与饱和光电流(1)入射光强度：指单位时间内入射到金属表面单位面积上的能量，可以理解为频率一定时，光强越大，光子数越多．(2)光电流：指光电子在电路中形成的电流．光电流有最大值，未达到最大值以前，其大小和光强、电压都有关，达到最大值以后，光电流只和光强有光，光强强，光电流就大．(3)饱和光电流：指在一定频率与强度的光照射下的最大光电流，饱和光电流不随电路中电压的增大而增大．3．两条分析线索(1)通过频率分析：光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．(2)通过光的强度分析：对确定某种光而言，入射光强度大→光子数目多→产生的光电子多→光电流大．4．常见概念辨析光强指单位时间内在垂直于光的传播方向上，单位面积上光子的总能量，即n·hν(其中n为光子数，hν指一个光子的能量)．四、光的波粒二象性1．粒子的波动性实物粒子也具有波动性，满足如下关系：ν＝Eh和λ＝hp，这种波称为德布罗意波，也叫物质波．2．光的波粒二象性光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：(1)从数量上看：个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．(2)从频率上看：频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强．(3)从传播与作用上看：光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性．(4)波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν，光子的动量p＝hλ表达式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ.由以上两式和波速公式c＝λν还可以得出：E＝pc.理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观观念中的波，也不可把光当成宏观观念中的粒子．对光电效应规律的理解[例1](1)关于光电效应，下列说法正确的是()A．极限频率越大的金属材料逸出功越大B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应C．从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多(2)用红光照射某一光电管发生光电效应时，测得光子的最大初动能为Ek1，光电流强度为I1；若改用光的强度与上述红光相同的紫光照射该光电管时，测得光电子的最大初动能为Ek2，光电流强度为I2，则Ek1与Ek2，I1与I2的大小关系为：Ek2________Ek1，I2________I1(选填“＞”“＝”或“＜”)[思路点拨]求解此题应把握以下两点：(1)强度相同的红光和紫光，光子个数不同．(2)应用光电效应现象的规律求解光电子的最大初动能、逸出功、光电流等．[解析](1)由W＝hν可知A正确．照射光的频率大于极限频率时才能发生光电效应，即B错．由Ek＝hν－W0可知C错．入射光的强度一定时，频率越高，单个光子的能量hν越大，光子数越少，单位时间内逸出的光电子数越少，故D错．(2)红光光子的频率比紫光光子的频率小，因此红光的光子能量小，紫光的光子能量大，当红光和紫光的强度相同时，即单位时间内单位面积上照射的红光光子个数多，而照射的紫光的光子个数少，根据光电效应原理，红光照射时，产生的光电子数多，光电流的强度大，故I1＞I2.由于紫光光子能量大，同一光电管，逸出功W0相同，根据爱因斯坦光电效应方程hν＝W0＋Ek得：用紫光照射时，光电子的最大初动能大，Ek2＞Ek1.[答案](1)A(2)＞＜光电效应方程的应用[例2]如图，当电键S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零．(1)求此时光电子的最大初动能的大小．(2)求该阴极材料的逸出功．[思路点拨][解析]设用光子能量为2.5eV的光照射时，光电子的最大初动能为Ek，阴极材料逸出功为W0，当反向电压达到U＝0.60V以后，具有最大初动能的光电子也达不到阳极，因此eU＝Ek由光电效应方程：Ek＝hν－W0由以上二式：Ek＝0.6eV，W0＝1.9eV.所以光电子最大初动能为0.6eV，该材料的逸出功为1.9eV.[答案](1)0.6eV(2)1.9eV对光的波粒二象性的理解[例3]物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，对这个实验结果认识正确的是()A．曝光时间不长时，出现不规则的点子，表现出光的波动性B．单个光子通过双缝后的落点无法预测C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性[思路点拨]利用光的波粒二象性和光波是一种概率波分析解答．[解析]由于光波是一种概率波，故B、C正确．A中的现象说明了光的粒子性，个别光子的行为通常表现出粒子性，故A、D错误．[答案]BC