高中物理：选修3

2023-12-10 08:56| 来源: 网络整理| 查看: 265

在19世纪，德国物理学家赫兹在研究电磁波的发射和接收时，首次发现了光电效应现象。

光电效应就是光照射在金属表面时，瞬间释放出电子的现象。

光电效应现象发现后，以当时的物理水平，完全解释不了。其中最大的一个疑问就是光电效应几乎是瞬间发生的，发生时间不多于 $10^{-9}$ s。光是导致光电效应发生的原因，而当时的物理学家都认为光是连续的，所以光电效应现象与物理学理论产生了分歧。

另外一个在当时无法解释的现象是对于同一种金属，有些光照射在上面能发生光电效应现象，而另外一些光照在上面时却不能发生光电效应现象；或者对于同一种光，照射在一种金属上能发生光电效应，但是照射在另一种金属上却不能发生光电效应。

在众多物理学家一筹莫展的时候，爱因斯坦在玻尔的氢原子能级结构模型和普朗克的量子理论的基础上提出了光电效应方程 $E_{k}=h\upsilon-W_{0}$ ，完美地解释了光电效应现象，并因此获得了1921年诺贝尔物理学奖。

普朗克在研究黑体辐射的时候，提出了“能量子”的概念：能量不是连续的，而是一份一份的。最小的一份能量称为能量子，简称“量子”。所有能量都是能量子的整数倍。普朗克因创立量子学获得了1918年诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦从普朗克的量子理论得到启发，提出了“光子”的概念。爱因斯坦认为光也是不连续的，也是一份一份的。最小的一份称为光量子，简称光子。

光子的能量： E＝hν，h为普朗克常量， $h=6.63\times10^{-34}J\cdot s$ 。每个光子的能量只取决于光的频率。

从氢原子的能级结构模型中我们了解到，氢原子从低能级向高能级跃迁时需要吸收光子，而当光子能量大于或等于氢原子所在能级的能量时，氢原子就会跃迁到游离态，核外电子将会脱离原子核的束缚形成自由电子。深入理解就是氢原子的核外电子吸收光的能量，将其中的一部分能量用于克服原子核的束缚做功，剩下的能量给电子提供动能。

但是因为氢是非金属，其原子核对核外电子的束缚太强，所以很难使氢的核外电子发生电离。而金属元素的原子核对核外电子的束缚就比较小，所以金属元素很容易发生光电效应。

光照射到金属表面时，金属原子的核外电子也会吸收光子，将光子能量的一部分能量用于克服原子核的束缚做功，剩下的能量给电子提供动能。

所以光电效应方程为： $E_{k}=h\upsilon-W_{0}$ 。（ $E_{k}$ 为光电子的最大初动能，h为普朗克常量， $\upsilon$ 为光子的频率， $W_{0}$ 为逸出功，即核外电子克服原子核束缚需要做功的最小值）

因为金属原子吸收的是光子，而且一次只能吸收一个光子，在能量上面没有积累的过程，所以光电效应总是在瞬间发生；

吸收的光子能量必须要大于逸出功才能发生光电效应现象。如果光子能量小于逸出功，光电效应现象就不会发生。所以才会出现有的光能发生光电效应，但是有的光不会发生光电效应。

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光电流

甲图是光电管正常工作的电路，在光电管上加上正向电压。开关闭合后，电流表的示数就是光电流的大小。随电压的增大光电流逐渐增大，当电压增大到某一值时，光电流达到饱和值，再增大电压，光电流不再增加，此时再增大光照强度，光电流继续增加。达到饱和光电流后，光电流的大小与光照强度成正比。

乙图是光电管加上负向电压。随电压的增大，光电流逐渐减小，当电压大于或等于遏止电压时，光电流为0。

注：为什么甲图是正向电压，而乙图是负向电压呢？怎么进行判断呢？其实方法很简单，能够让光电子加速的电压就是正向电压，而让光电子减速的电压就是负向电压。在甲图中，阴极K带负电，阳极A带正电，在两板之间的电场线由阳极A指向阴极K，而光电子带负电，所以光电子所受的电场力指向阳极A，则光电子会加速向阳极A运动，则甲图是正向电压。反过来乙图就是负向电压。

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光电流I与电压的关系如下图所示：

光电效应相关公式

(1)爱因斯坦光电效应方程： $E_{k}=h\upsilon-W_{0}$ 。

(2)最大初动能与遏止电压的关系： $E_{k}=eU_{c}$ 。

(3)逸出功与极限频率、极限波长 $\lambda_{0}$ 的关系： $W_{0}=h\upsilon_{c}=h\frac{c}{\lambda_{0}}$ 。

光电效应方程的实际应用

(1)最大初动能与入射光子频率的关系： $E_{k}=h\upsilon-W_{0}$ 。

(2)若入射光子的能量恰等于金属的逸出功 $W_{0}$ ，则光电子的最大初动能为零，入射光的频率就是金属的截止频率．此时有 $h\upsilon_{c}=W_{0}$ ，即 $\upsilon_{c}=\frac{W_{0}}{h}$ ，可求出截止频率．

(3) $E_{k}-\upsilon$ 曲线：如图所示，由 $E_{k}=h\upsilon-W_{0}$ 可知，横轴上的截距是金属的截止频率或极限频率，纵轴上的截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量h。

光电效应的规律

①任何一种金属都有一个截止频率，低于这个截止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光电效应的发生几乎是瞬时的．

④大于截止频率的光照射金属时，光电流强度与入射光强度成正比．

光电效应的典型图象分析

特别提醒：

(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。

(2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。

(3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。

(4)光电子不是光子，而是电子。

光电效应所有物理量总结：

与金属材料有关的物理量：逸出功 $W_{0}$ 、光电子的最大初动能 $E_{k}$ 、金属遏止电压 $U_{c}$ 、截止频率 $\upsilon_{c}$ 。

光的波粒二象性

物质波(德布罗意波)

由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波(德布罗意波)的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长 $\lambda=\frac{h}{P}$ .

区分光电效应中的五组概念

(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。

(2)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，电子吸收光子的全部能量，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的情况，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。

(3)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。

(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。

(5)光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。

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高中物理知识模型探究与实践·力学篇

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