搜索
第1节光电效应第2节康普顿效应第5章波与粒子1.知道什么是光电效应及其实验现象．(重点)2.理解光子说，掌握爱因斯坦光电效应方程，并能利用它解决光电效应的有关问题．(重点＋难点)3.知道什么是康普顿效应及X射线实验原理．(重点)4．理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波．(重点＋难点)第5章波与粒子一、光电效应现象及实验规律1.(1)光电效应现象：在光的照射下___________________的现象．(2)光电效应的实验规律①存在极限波频率，每一种金属对应一种光的____________，称极限频率．只有当光的频率大于或等于这个最小频率时，才会产生____________．电子从物体表面逸出最小频率光电效应②产生光电效应时，光的强度____________，单位时间内逸出的电子数越多．③从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在____________内发生光电效应．2.爱因斯坦的光电效应方程(1)光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的____________组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为____________．越大10－9s能量子E＝hν(2)光电效应方程①表达式：hν＝____________．②物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的束缚，剩下的表现为逸出后电子的____________．W＋12mv2动能3.光电效应的应用(1)光电开关：应用____________可以控制电路的接通或断开．(2)光电成像，利用光电效应将光信号―→____________―→光信号．(3)光电池等．光电管电信号1．(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．()××√二、康普顿效应1.光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向____________的光现象．2.康普顿效应：在光的散射中，除了有入射波长___________的成分外，还有波长较长的成分，波长的改变与____________有关．3.康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的__________性的一面．发生改变较短散射角粒子康普顿效应说明了什么？为什么说康普顿效应反映了光子具有动量？提示：康普顿效应说明了光的粒子性．解释光子波长变化的问题时运用了能量守恒定律和动量守恒定律，理论与实验符合很好．三、光的波粒二象性1.光的本性：光既具有波动性，又具有____________性，即光具有____________．2.光是一种____________．3.当光的波长较长或光在传播过程中时，____________明显；当光的波长较短或光子与粒子相互作用时，____________明显．粒子波粒二象性概率波波动性粒子性2．(1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性．()(2)光子数量越大，其粒子性越明显．()(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．()√×√对光电效应的理解1.实验现象：原来不带电的锌板被紫外光照射后带了正电，表明电子在紫外光照射下逸出了锌板表面．2.光电效应与波动理论的矛盾(1)能否发生光电效应与入射光的频率有关，与光的强弱无关．波动理论认为光的强度由光波的振幅决定，与频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应．但事实并非如此．(2)光电子的最大初动能，只与光的频率有关．波动理论认为入射光的强度越大，逸出的光电子的最大初动能越大．(3)光电效应具有瞬时性：按照波动理论，电子能量的增加应该有个积累过程，大约需要几分钟时间，电子才能逸出金属表面．而实验表明：无论入射光怎样弱，只要能发生光电效应，从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，几乎是瞬时的．3.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释(1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，光子将能量传递给电子，每个光子的能量为hν，所以一个光子传递给一个电子的能量为hν，电子要脱离原子核的引力，有一个最小能量，最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率，即极限频率．如果小于这一频率，即使增大光强，也不会使电子逸出．这是因为增大光强，只是增加了吸收光子能量的电子数，单个电子吸收的光子能量仍为hν，电子仍不能逸出．(2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的．如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出．因为一个电子吸收一个光子后，在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子，所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面．(3)解释最大初动能与频率的关系：由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋12mv2可知，电子从金属中逸出所需克服束缚而消耗的能量的最小值为逸出功，从金属表面逸出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能．就其他逸出的电子而言，离开金属时的动能小于最大初动能．最大初动能的大小与光的强度无关，而与光的频率有关．4.光电效应规律中的两个关系(1)由hν＝W＋12mv2得12mv2＝hν－W，逸出电子的最大初动能Ekm即12mv2与入射光的频率成一次函数关系．(2)产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多．即如果形成光电流，光电流的强度与入射光的强度成正比．(1)逸出功的大小由金属本身决定，与其他因素无关．(2)光电效应的实质是光现象转化为电现象．在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示．若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为________，所用材料的逸出功可表示为________．[解析]根据光电效应方程Ekm＝hν－W0及Ekm＝eUc得Uc＝hνe－W0e，故he＝k，b＝－W0e，得h＝ek，W0＝－eb.[答案]ek－eb(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．1.如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.6V时，电流表读数为零．由此可知，阴极材料的逸出功为()A．1.9eVB．0.6eVC．2.5eVD．3.1eV解析：选A.设能量为2.5eV的光子照射时，光电子的最大初动能为12mv2，阴极材料的逸出功为W0，根据爱因斯坦光电效应方程有12mv2＝hν－W0，题图中光电管上加的是反向电压，据题意，当反向电压达到U＝0.6V以后，具有最大初动能的光电子也不能达到阳极，因此eU＝12mv2，联立解得，W0＝hν－eU＝2.5eV－0.6eV＝1.9eV，故选项A正确．对康普顿效应的理解1.实验现象：X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．2.康普顿效应与经典物理理论的矛盾按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光．散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)．因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光．另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．3.光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．(1)光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．(2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长改变与散射角有关．康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中()A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，动量守恒，且λλ′D．能量守恒，动量守恒，且λλ′[思路点拨]光子与电子的碰撞遵循动量守恒定律与能量守恒定律．[解析]能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界．光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律．光子与电子碰撞前光子的能量E＝hν＝hcλ，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量E′＝hν′＝hcλ′，由EE′，可知λλ′，选项C正确．[答案]C2.康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，如图所示给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰撞后光子可能沿方向________运动，并且波长________(填“不变”“变小”或“变大”)．解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰撞前的方向一致，可见碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由E＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．答案：1变大正确理解光的波粒二象性1.光的粒子性的含义粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量．(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性．(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著．2.光的波动性的含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著．3.光的波动性，粒子性是统一的(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为．光子说并不否认光的电磁说(1)按光子说，光子的能量E＝hν，其中ν表示光的频率，即表示了波的特征．(2)从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到一致的结论．有关光的波粒二象性的下列说法中，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[解析]同一种光在不同条件下，有时表现出波动性，有时表现出粒子性，A错．电子是实物粒子，有静止质量；光子无静止质量，以场的形式存在，B错．光的波长越长(频率越低)，其波动性越显著，反之，粒子性越显著，C对．大量光子的行为往往表现出波动性，D错．[答案]C光既有波动性又有粒子性，二者是统一的．光的波长越长，波动性越强，波长越短，粒子性越强．个别光子易显示粒子性，大量光子易显示波动性．3.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是()A．大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C．高频光是粒子，低频光是波D．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著解析：选AD.光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，D正确；大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性，A正确；光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，B错误；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，C错误．与光电效应有关的图象问题在理解光电效应方程的基础上，把其数学关系式与数学函数图象结合起来，经分析、推导得出图象的斜率及在图象横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力．1．最大初动能与入射光频