第十三章原子物理光電效應　波粒二象性【教學目標】1．知道什么是光電效應，理解光電效應的實驗規(guī)律；2．會利用光電效應方程計算逸出功、極限頻率、最大初動能等物理量；3．知道光的波粒二象性，知道物質(zhì)波的概念．【重、難點】1．理解光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強度無光；2．理解光電效應的四種圖象的物理意義【課前小測】1．下列實驗現(xiàn)象中，哪一個實驗現(xiàn)象的解釋使得光的波動說遇到了巨大的困難（　?。〢．光的干涉　B．光的衍射C．多普勒效應D．光電效應2．利用光子說對光電效應的解釋，下列說法正確的是（　　）A．電子吸收光子后一定能從金屬表面逸出，成為光電子B．金屬表面的一個電子吸收若干個光子，積累了足夠的能量才能從金屬表面逸出C．無論光子能量大小如何，電子吸收光子并積累了能量后，總能逸出成為光電子D．金屬表面的一個電子只能吸收一個光子3．（多選）用綠光照射一光電管，能產(chǎn)生光電流，則下列一定可以使該光電管產(chǎn)生光電效應的有（）A．紅外線B．黃光C．藍光D．紫外線4．入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，則（　?。〢．有可能不發(fā)生光電效應B．逸出的光電子的最大初動能將減小C．光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加18 D．單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減小5．關(guān)于光電效應的規(guī)律，下列說法中正確的是（　　）A．只有入射光的波長大于該金屬的極限波長，光電效應才能產(chǎn)生B．光電子的最大初動能跟入射光強度成正比C．發(fā)生光電效應的反應時間一般都大于10－7sD．發(fā)生光電效應時，單位時間內(nèi)從金屬內(nèi)逸出的光電子數(shù)目與入射光強度成正比6．（多選）下列說法正確的是（　　）A．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性B．光電效應反映了光的粒子性C．光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明了光具有波動性D．只有運動著的小物體才有一種波和它相對應，大的物體運動是沒有波和它對應的【知識梳理】18 （1）光子和光電子都是實物粒子。（）（2）只要入射光的強度足夠強，就可以使金屬發(fā)生光電效應。（）（3）要使某金屬發(fā)生光電效應，入射光子的能量必須大于金屬的逸出功。（）（4）光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比。（）（5）金屬電子的逸出功與入射光的頻率成正比。（）（6）用不可見光照射金屬一定比用可見光照射同種金屬產(chǎn)生的光電子的初動能要大。（）（7）對于任何一種金屬都存在一個“最大波長”，入射光的波長必須小于這個波長，才能產(chǎn)生光電效應。（）（8）光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性。（）（9）德國物理學家普朗克提出了量子假說，成功地解釋了光電效應規(guī)律。（）（10）美國物理學家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應，證實了光的粒子性。（）（11）法國物理學家德布羅意大膽預言了實物粒子在一定條件下會表現(xiàn)為波動性。（）考點一　對光電效應規(guī)律的理解1．與光電效應有關(guān)的五組概念對比（1）光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子。光子是光電效應的因，光電子是果。（2）光電子的動能與光電子的最大初動能：光照射到金屬表面時，電子吸收光子的全部能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功的情況，才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。（3）光電流與飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。18 （4）入射光強度與光子能量：入射光強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量。（5）光的強度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應而言的，對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關(guān)系。2．光電效應的研究思路（1）兩條線索：（2）兩條對應關(guān)系：→→→→→典例精析例1、（多選）1905年是愛因斯坦的“奇跡”之年，這一年他先后發(fā)表了三篇具有劃時代意義的論文，其中關(guān)于光量子的理論成功的解釋了光電效應現(xiàn)象．關(guān)于光電效應，下列說法正確的是（　?。〢．光電子的最大初動能與入射光的強度成正比B．光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比C．當入射光的頻率低于極限頻率時，不能發(fā)生光電效應D．某單色光照射一金屬時不發(fā)生光電效應，改用波長較短的光照射該金屬可能發(fā)生光電效應變式1、（多選）如圖所示，用導線把驗電器與鋅板相連接，當用紫外線燈照射鋅板時，發(fā)生的現(xiàn)象是(　　)18 A．有光子從鋅板逸出B．有電子從鋅板逸出C．驗電器指針張開一個角度D．鋅板帶負電變式2、（多選）用如圖所示的光電管研究光電效應，用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么(　　)A．a(chǎn)光的頻率一定大于b光的頻率B．只增加a光的強度可使通過電流計G的電流增大C．增加b光的強度可能使電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)D．用a光照射光電管陰極K時通過電流計G的電流是由d到c考點二　對光電效應方程的應用和Ek－ν圖象的考查1．三個關(guān)系（1）愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0。（2）光電子的最大初動能Ek可以利用光電管實驗的方法測得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓。（3）光電效應方程中的W0為逸出功，它與極限頻率νc的關(guān)系是W0＝hνc。2．四類圖象圖象名稱圖線形狀由圖線直接（間接）得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h18 顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點②飽和光電流Im：電流的最大值③最大初動能：Ekm＝eUc顏色不同時，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓：Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電量的乘積，即h＝ke。（注：此時兩極之間接反向電壓）典例精析例2、頻率為ν的光照射某金屬時，產(chǎn)生光電子的最大初動能為Ekm．改為頻率為2ν的光照射同一金屬，所產(chǎn)生光電子的最大初動能為（h為普朗克常量）（）A．Ekm－h(huán)νB．2EkmC．Ekm＋hνD．Ekm＋2hν例3、（多選）如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線（直線與橫軸的交點坐標為4.27，與縱軸交點坐標為0.5）．由圖可知（　?。〢．該金屬的截止頻率為5.5×1014HzB．該金屬的截止頻率為4.27×1014HzC．該圖線的斜率表示普朗克常量D．該金屬的逸出功為0.5eV例4、（2015·全國I卷）18 在某次光電效應實驗中，得到的遏止電壓UC與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示，若該直線的斜率和截距分別為k和b，電子電荷量的絕對值為e，則普朗克常量可表示為，所用材料的逸出功可表示為。變式3、現(xiàn)有a、b、c三束單色光，其波長關(guān)系為λa:λb:λc＝1:2:3。當用a光束照射某種金屬板時能發(fā)生光電效應，飛出的光電子最大動能為Ek，若改用b光束照射該金屬板，飛出的光電子最大動能為Ek，當改用c光束照射該金屬板時（　　）A．能發(fā)生光電效應，飛出的光電子最大動能為EkB．能發(fā)生光電效應，飛出的光電子最大動能為EkC．能發(fā)生光電效應，飛出的光電子最大動能為EkD．由于c光束光子能量較小，該金屬板不會發(fā)生光電效應變式4、以往我們認識的光電效應是單光子光電效應，即一個電子在極短時間內(nèi)只能吸收到一個光子而從金屬表面逸出。強激光的出現(xiàn)豐富了人們對于光電效應的認識，用強激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在極短時間內(nèi)吸收多個光子成為可能，從而形成多光子電效應，這已被實驗證實。光電效應實驗裝置示意如圖所示。用頻率為v的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應。換用同樣頻率為ν的強激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應；此時，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負極，在K18 A之間就形成了使光電子減速的電場，逐漸增大U，光電流會逐漸減小；當光電流恰好減小到零時，所加反向電壓U可能是下列的（其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電量）（）A．B．C．D．考點三　用光電管研究光電效應的規(guī)律例5、（多選）如圖所示，電路中所有元件完好，但光照射到光電管上，靈敏電流計中沒有電流通過，其原因可能是（　?。〢．入射光太弱B．入射光波長太長C．光照時間短D．電源正、負極接反變式5、如圖所示是光電管的原理圖，已知當有波長為λ0的光照射到陰極K上時，電路中有光電流，則（　?。〢．若換用波長為λ1（λ1>λ0）的光照射陰極K時，電路中一定沒有光電流B．若換用波長為λ2（λ2<λ0）的光照射陰極K時，電路中一定有光電流18 C．增加電路中電源兩極電壓，電路中光電流一定增大D．若將電源極性反接，電路中一定沒有光電流產(chǎn)生考點四　對波粒二象性的理解1．對光的波動性和粒子性的進一步理解光的波動性光的粒子性實驗基礎(chǔ)干涉、衍射和偏振現(xiàn)象光電效應、康普頓效應表現(xiàn)①光是一種概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大?。ǜ怕剩┛捎貌▌右?guī)律來描述②大量的光子在傳播時，表現(xiàn)出光的波動性①當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)②少量或個別光子容易顯示出光的粒子性說明①光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的②光的波動性不同于宏觀觀念的波①粒子的含義是“不連續(xù)”、“一份一份”的②光子不同于宏觀觀念的粒子2．波動性和粒子性的對立與統(tǒng)一（1）大量光子易顯示出波動性，而少量光子易顯示出粒子性。（2）波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強。（3）光子說并未否定波動說，E＝hν＝中，ν和λ就是波的概念。（4）波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的。3．物質(zhì)波（1）定義：任何運動著的物體都有一種波與之對應，這種波叫做物質(zhì)波，也叫德布羅意波。（2）物質(zhì)波的波長：λ＝＝，h是普朗克常量。18 4．康普頓效應（1）光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射（2）康普頓效應：用X光照射物體時，散射出來的X射線波長變長的現(xiàn)象。（3）康普頓效應的意義：①有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；②首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設(shè)。【能力展示】【小試牛刀】1．（多選）已知能使某金屬產(chǎn)生光電效應的極限頻率為ν0，則（　）A．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，一定能產(chǎn)生光電子B．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hν0C．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大，則逸出功增大D．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大一倍，則光電子的最大初動能也增大一倍2．（多選）如圖所示，用a、b兩種不同頻率的光分別照射同一金屬板，發(fā)現(xiàn)當a光照射時驗電器的指針偏轉(zhuǎn)，b光照射時指針未偏轉(zhuǎn)，以下說法正確的是（　?。〢．增大a光的強度，驗電器的指針偏角一定減小B．a(chǎn)光照射金屬板時驗電器的金屬小球帶負電C．a(chǎn)光在真空中的波長小于b光在真空中的波長D．若a18 光是氫原子從n＝4的能級向n＝1的能級躍遷時產(chǎn)生的，則b光可能是氫原子從n＝5的能級向n＝2的能級躍遷時產(chǎn)生的3．（多選）對光電效應的理解正確的是（　?。〢．金屬鈉的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，當它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬B．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應C．發(fā)生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大D．由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應，入射光的最低頻率也不同4．（多選）現(xiàn)用一光電管進行光電效應的實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生。下列說法正確的是（）A．入射光的頻率變高，飽和光電流變大B．入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大C．保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大D．遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的光強無關(guān)5．（多選）光電效應的實驗結(jié)論是：對于某種金屬（）A．無論光的頻率多低，只要光照時間足夠長就能產(chǎn)生光電效應B．無論光強多強，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應C．超過極限頻率的入射光強度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越小D．超過極限頻率的入射光頻率越高，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越大6．在光電效應實驗中，某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線（甲光、乙光、丙光），如圖所示．則可判斷出（　?。?8 A．甲光的頻率大于乙光的頻率B．乙光的波長大于丙光的波長C．乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率D．甲光對應的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能7．（多選）用某單色光照射金屬鈦表面，發(fā)生光電效應。從鈦表面放出光電子的最大初動能與入射光頻率的關(guān)系圖線如圖所示。則下列說法正確的是（）18 00.52.50.51.51.03.02.01.018 A．光電子的最大初動能為1.0×10-18JB．鈦的極限頻率為1.0×1015HzC．鈦的逸出功為6.67×10-19JD．由圖線可求得普朗克常量為6.67×10-34J·s【大顯身手】8．如圖（甲），合上開關(guān)，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極K，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零．調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.60V時，電流表讀數(shù)仍不為零，當電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時，電流表讀數(shù)為零．把電路改為圖（乙），當電壓表讀數(shù)為2V時，則逸出功及電子到達陽極時的最大動能為（　?。〢．1.5eV　0.6eVB．1.7eV　1.9eVC．1.9eV　2.6eVD．3.1eV　4.5eV9．（多選）美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)光子除了具有能量之外還具有動量，被電子散射的X光子與入射的X光子相比(　　)A．速度減小　　　　　B．頻率減小C．波長減小D．能量減小10．（多選）分別用波長為λ和2λ的光照射同一種金屬，產(chǎn)生的速度最快的光電子速度之比為2∶1，普朗克常量和真空中光速分別用h和c表示，那么下列說法正確的是（）A．該種金屬的逸出功為B．波長超過2λ的光都不能使該金屬發(fā)生光電效應C．該種金屬的逸出功為D．波長超過4λ的光都不能使該金屬發(fā)生光電效應11．（多選）18 圖甲是光電效應的實驗裝置圖，圖乙是光電流與加在陰極K和陽極A上的電壓的關(guān)系圖象，下列說法正確的是(　　)A．只要增大電壓，光電流就會一直增大B．由圖線①、③可知在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大C．由圖線①、②、③可知對某種確定的金屬來說，其遏止電壓只由入射光的頻率決定D．不論哪種顏色的入射光，只要光足夠強，就能發(fā)生光電效應12．（多選）如圖所示為研究光電效應規(guī)律的實驗電路，電源的兩個電極分別與接線柱c、d連接。用一定頻率的單色光a照射光電管時，靈敏電流計G的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而用另一頻率的單色光b照射該光電管時，靈敏電流計G的指針不偏轉(zhuǎn)。下列說法正確的是(　　)A．用b光照射光電管時，一定沒有發(fā)生光電效應B．a(chǎn)光的頻率一定大于b光的頻率C．電源正極可能與c接線柱連接D．若靈敏電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則電流方向一定是由e→G→f13．在光電效應實驗中，某金屬的截止頻率相應的波長為λ0，該金屬的逸出功為。若用波長為λ（λ<λ0）單色光做實驗，則其遏止電壓為。已知電子的電荷量、真空中的光速和普朗克常量分別為e，c和h．18 14．用不同頻率的光照射某金屬產(chǎn)生光電效應，測量金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率ν，得到Uc－ν圖象如圖所示，根據(jù)圖象求出該金屬的截止頻率νc＝Hz，普朗克常量h＝J·s。（已知電子電量e＝1.6×10－19C）15．小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應現(xiàn)象，實驗裝置示意如圖甲所示．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。（1）圖甲中電極A為光電管的（填“陰極”或“陽極”）；（2）實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示，則銣的截止頻率νc＝Hz，逸出功W0＝J；（3）如果實驗中入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek＝J。16．（1）研究光電效應的電路如圖所示．用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板（陰極K），鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流．下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖象中，正確的是（）18 （2）鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子．光電子從金屬表面逸出的過程中，其動量的大?。ㄟx填“增大”、“減小”或“不變”），原因是。17．如圖甲所示是研究光電效應規(guī)律的光電管．用波長λ＝0.50μm的綠光照射陰極K，實驗測得流過表的電流I與AK之間電勢差UAK滿足如圖乙所示規(guī)律，取h＝6.63×10－34J·s。結(jié)合圖象，求：（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）（1）每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極K時的最大動能．（2）該陰極材料的極限波長．18 【能力展示】13．；14．5.0×1014；6.4×10－3415．（1）陽極（2）5.15×1014[（5.12～5.18）×1014均可]　3.41×10－19[（3.39～3.43）×10－19均可]（3）1.23×10－19[（1.21～1.25）×10－19均可]16．（1）C?。?）減??；光電子從金屬表面逸出過程中要受到金屬表面層中力的阻礙作用（或需要克服逸出功）17．（1）4.0×1012個；9.6×10－20J?。?）6.6×10－7m18