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第十七章波粒二象性 第2節(jié)光的粒子性 欄目鏈接 學習目標 1 了解光電效應(yīng)及其實驗規(guī)律 感受以實驗為基礎(chǔ)的科學研究方法 2 知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義 感受科學家在面對科學疑難時的創(chuàng)新精神 3 了解康普頓效應(yīng)及其意義 欄目鏈接 1 光電效應(yīng)現(xiàn)象 如下圖所示 用弧光燈照射鋅板 與鋅板相連的驗電器就帶正電 即鋅板也帶正電 這說明鋅板在光的照射下發(fā)射出了電子 欄目鏈接 1 定義 在光的照射下物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象 叫作光電效應(yīng) 發(fā)射出來的電子叫作光電子 2 研究光電效應(yīng)的實驗裝置 如下圖所示 陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極 K在受到光照時能夠發(fā)射光電子 電源加在K與A之間的電壓大小可以調(diào)整 正負極也可以對調(diào) 欄目鏈接 2 光電效應(yīng)的規(guī)律 1 光電效應(yīng)的實驗結(jié)果 首先在入射光的強度與頻率不變的情況下 IU的實驗曲線如下圖所示 曲線表明 當加速電壓U增加到一定值時 光電流達到飽和值Im 這是因為單位時間內(nèi)從陰極K射出的光電子全部到達陽極A 若單位時間內(nèi)從陰極K上逸出的光電子數(shù)目為n 則飽和電流Im ne 式中e為電子電荷量 另一方面 當電壓U減小到零 并開始反向時 光電流并沒有降為零 這就表明從陰極K逸出的光電子具有初動能 所以盡管有電場阻礙它運動 仍有部分光電子到達陽極A 但是當反向電壓等于Uc時 就能阻止所有的光電子飛向陽極A 使光電流降為零 這個電壓叫遏止電壓 它使具有最大初速度的電子也不能到達陽極A 如果不考慮在測量遏止電壓時回路中的接觸電勢差 那么我們就能根據(jù)遏止電壓Uc來確定電子的最大速度vm和最大動能 即 eUc 在用相同頻率不同強度的光去照射陰極K時 得到的IU曲線如圖甲所示 它顯示出對于不同強度的光 Uc是相同的 這說明同頻率 不同強度的光所產(chǎn)生的光電子的最大初動能是相同的 此外 用不同頻率的光去照射陰極K時 實驗結(jié)果是 頻率越高 Uc越大 如圖乙所示 并且 與Uc呈線性關(guān)系 如圖丙所示 頻率低于 c的光 不論強度多大 都不能產(chǎn)生光電子 因此 c稱為截止頻率 對于不同的材料 截止頻率不同 2 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 飽和電流Im的大小與入射光的強度成正比 也就是單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目與入射光的強度成正比 見圖甲 光電子的最大初動能 或遏止電壓 與入射光線的強度無關(guān) 見圖甲 圖中Io1 Io2 Io3表示入射光強度 而只與入射光的頻率有關(guān) 頻率越高 光電子的初動能就越大 見圖乙 頻率低于 c的入射光 無論光的強度多大 照射時間多長 都不能使光電子逸出 光的照射和光電子的逸出幾乎是同時的 在測量的精度范圍內(nèi) s 觀察不出這兩者間存在滯后現(xiàn)象 嘗試應(yīng)用1 如圖所示 用導線將驗電器與潔凈鋅板連接 觸摸鋅板使驗電器指針歸零 用紫外線照射鋅板 驗電器指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn) 接著用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸鋅板 發(fā)現(xiàn)驗電器指針張角減小 此現(xiàn)象說明鋅板帶 電 選填 正 或 負 若改用紅外線重復(fù)以上實驗 結(jié)果發(fā)現(xiàn)驗電器指針根本不會偏轉(zhuǎn) 說明金屬鋅的極限頻率 選填 大于 或 小于 紅外線的頻率 解析 紫外線照射鋅板后 與鋅板相連的驗電器指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn) 可知鋅板帶電 毛皮摩擦過的橡膠棒帶負電 橡膠棒與鋅板接觸 驗電器指針張角變小 說明鋅板上的電荷與橡膠棒上的電荷電性相反 由此可判斷鋅板帶正電 金屬要發(fā)生光電效應(yīng) 入射光的頻率必須大于金屬的極限頻率 本題中用紅外線照射鋅板 驗電器指針不偏轉(zhuǎn) 說明沒發(fā)生光電效應(yīng) 因此可判斷鋅的極限頻率大于紅外線的頻率 答案 正大于 欄目鏈接 1 解釋光電效應(yīng)中的疑難 1 逸出功 使電子脫離某種金屬所做功的最小值 用W0表示 不同金屬的逸出功不同 2 光電效應(yīng)與光的電磁理論的矛盾 矛盾之一 光的能量與頻率有關(guān) 而不像波動理論中應(yīng)由振幅決定 按光的波動理論 不論光的頻率如何 只要照射時間足夠長或光的強度足夠大就可以產(chǎn)生光電效應(yīng) 但實驗結(jié)果表明 欄目鏈接 產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件卻是入射光頻率大于某一極限頻率 且光電效應(yīng)的最大初動能與入射光頻率成線性關(guān)系 均與光的強度無關(guān) 根據(jù)能量的觀點 電子要從物體中飛出 必須使之具有一定的能量 而這一能量只能來源于照射光 為什么實驗表明發(fā)射電子的能量與照射光的強度無關(guān) 而與光的頻率有關(guān) 這個問題曾使物理界大為困惑 使經(jīng)典的光的波動理論面臨挑戰(zhàn) 矛盾之二 光電效應(yīng)產(chǎn)生的時間極短 電子吸收光的能量是瞬時完成的 而不像波動理論所預(yù)計的那樣可能逐漸積累 當一束很細的光照射到物體上時 它的能量將分布到大量的原子上 怎么可能在極短時間內(nèi)把足夠的能量集中到電子上而使之從物體中飛出 欄目鏈接 2 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 1 光子說 愛因斯坦于1905年提出 在空間傳播的光是不連續(xù)的 而是一份一份的 每一份叫作一個光子 光子的能量跟它的頻率成正比 即 h 式中h叫普朗克常量 h 6 63 J s 2 光電效應(yīng)方程 Ekm h W0 其中Ekm 為光電子的最大初動能 W0為金屬的逸出功 注意要正確理解光電效應(yīng)方程 欄目鏈接 式中Ekm是光電子的最大初動能 就某個光電子而言 其離開金屬時的動能大小可以是0 Ekm范圍內(nèi)的任何數(shù)值 光電效應(yīng)方程表明 光電子的最大初動能與入射光的頻率 呈線性關(guān)系 注意不是正比關(guān)系 與光強無關(guān) 光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件 即 光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程 逸出功W0 電子從金屬中逸出所需要的克服束縛而消耗的能量的最小值 叫作金屬的逸出功 光電效應(yīng)中 從金屬表面逸出的電子消耗能量最少 欄目鏈接 3 光子說對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋 1 由于光的能量是一份一份的 那么金屬中的電子也只能一份一份地吸收光子的能量 而且這個傳遞能量的過程只能是一個光子對一個電子的行為 如果光的頻率低于極限頻率 則光子提供給電子的能量不足以克服原來的束縛 就不能發(fā)生光電效應(yīng) 2 而當光的頻率高于極限頻率時 能量傳遞給電子以后 電子擺脫束縛要消耗一部分能量 剩余的能量以光電子的動能形式存在 這樣光電子的最大初動能Ekm mvm2 h W0 其中W0為金屬的逸出功 因此光的頻率越高 電子的初動能越大 欄目鏈接 3 電子接收能量的過程極其短暫 接收能量后的瞬間即掙脫束縛 所以光電效應(yīng)的發(fā)生也幾乎是瞬間的 4 發(fā)生光電效應(yīng)時 單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)與光強度成正比 光強度越大意味著單位時間內(nèi)打在金屬上的光子數(shù)越多 那么逸出的光電子數(shù)目也就越多 嘗試應(yīng)用2 用同一束單色光 在同一條件下 先后照射鋅片和銀片 都能產(chǎn)生光電效應(yīng) 在這兩個過程中 對下列四個物理量來說 一定相同的是 可能相同的是 一定不相同的是 A 光子的能量B 金屬的逸出功C 光電子的初動能D 光電子的最大初動能解析 光子的能量由光的頻率決定 同一束單色光頻率相同 因而光子能量相同 逸出功等于電子脫離原子核束縛需要做的最少的功 因此只由材料決定 鋅片和銀片的光電效應(yīng)中 光電子的逸出功一定不相同 由Ek h W0 照射光子能量k 相同 逸出功W0不同 則電子最大初動能不同 由于光電子吸收光子后到達金屬表面的路徑不同 途中損失的能量也不同 因而脫離金屬時的初動能分布在零到最大初動能之間 所以 在兩個不同光電效應(yīng)的光電子中 初動能是可能相等的 答案 ACBD 1 光的散射 光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用 光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫作光的散射 2 康普頓效應(yīng) 在散射線中 除有與入射波長相同的射線外 還有波長比入射線波長更長的射線 人們把這種波長變化的現(xiàn)象叫作康普頓效應(yīng) Comptoneffect 欄目鏈接 3 光子說對康普頓效應(yīng)的解釋 假定X射線光子與電子發(fā)生完全彈性碰撞 這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似 按照愛因斯坦的光子說 一個X射線光子不僅具有能量 h 而且還有動量 如下圖所示 這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性斜碰 光子把部分能量轉(zhuǎn)移給了電子 能量由h 減小為h 因此頻率減小 波長增大 同時 光子還使電子獲得一定的動量 這樣就圓滿地解釋了康普頓效應(yīng) 嘗試應(yīng)用3 多選 關(guān)于康普頓效應(yīng) 下列說法正確的是 BCD A 康普頓在研究X射線散射時 發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化 為波動說提供了依據(jù)B X射線散射時 波長改變的多少與散射角有關(guān)C 發(fā)生散射時 波長較短的X射線或 射線入射時 產(chǎn)生康普頓效應(yīng)D 愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應(yīng) 所以康普頓效應(yīng)支持粒子說 解析 美國物理學家康普頓在研究X射線散射時 發(fā)現(xiàn)散射光波長發(fā)生了變化 這種現(xiàn)象用波動說無法理解 用光子說卻可以解釋 A錯 波長改變的多少與散射角有關(guān) B對 當波長較短時發(fā)生康普頓效應(yīng) 較長時發(fā)生光電效應(yīng) C對 D對 用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng) 可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是 A 改用頻率更小的紫外線照射B 改用X射線照射C 改用強度更大的原紫外線照射D 延長原紫外線的照射時間 審題指導 要產(chǎn)生光電效應(yīng) 根據(jù)光電效應(yīng)的條件必須用能量更大 即頻率更高的粒子 解析 根據(jù)光電效應(yīng)的條件 o 要產(chǎn)生光電效應(yīng) 必須用能量更大 即頻率更高的粒子 能否發(fā)生光電效應(yīng)與光的強度和照射時間無關(guān) X射線的頻率大于紫外線的頻率 故A C D錯誤 B正確 答案 B點評 解決本題的關(guān)鍵掌握光電效應(yīng)的條件及各種電磁波的頻率大小關(guān)系 變式訓練1 多選 如圖所示的光電管的實驗中 發(fā)現(xiàn)用一定頻率的A單色光照射光電管時 電流表指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) 而用另一頻率的B單色光照射時不發(fā)生光電效應(yīng) 那么 AC A A光的頻率大于B光的頻率B B光的頻率大于A光的頻率C 用A光照射光電管時流過電流表G的電流方向是a流向bD 用A光照射光電管時流過電流表G的電流方向是b流向a解析 根據(jù)光電效應(yīng)的條件可知 A光的頻率高于極限頻率 c B光的頻率小于極限頻率 c 故A光的頻率大于B光的頻率 A項正確 光電管工作時光電子從陰極 右側(cè) 飛向陽極 左側(cè) 由此可知 電路中的電流為a b 即C項正確 2014 廣東卷 多選 在光電效應(yīng)實驗中 用頻率為 的光照射光電管陰極 發(fā)生了光電效應(yīng) 下列說法正確的是 A 增大入射光的強度 光電流增大B 減小入射光的強度 光電效應(yīng)現(xiàn)象消失C 改變頻率小于 的光照射 一定不發(fā)生光電效應(yīng)D 改變頻率大于 的光照射 光電子的最大初動能變大 審題指導 光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率 與入射光的強度無關(guān) 根據(jù)光電效應(yīng)方程判斷影響光電子最大初動能的因素 解析 光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率 能否發(fā)生光電效應(yīng) 與入射光的強度無關(guān) 與光照時間也無關(guān) 當發(fā)生光電效應(yīng)時 增大入射光的強度 則光電流會增大 故A正確 入射光的頻率大于金屬的極限頻率 才會發(fā)生電效應(yīng) 與入射光的強度無關(guān) 故B錯誤 光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率 當改變頻率小于 但不一定小于極限頻率 故C錯誤 在光電效應(yīng)中 根據(jù)光電效應(yīng)方程知 Ekm h W0 入射光的頻率越高 光電子最大初動能越大 故D正確 答案 AD 變式訓練2 2014 上海卷 在光電效應(yīng)的實驗結(jié)果中 與光的波動理論不矛盾的是 C A 光電效應(yīng)是瞬時發(fā)生的B 所有金屬都存在極限頗率C 光電流隨著入射光增強而變大D 入射光頻率越大 光電子最大初動能越大 解析 光具有波粒二象性 即既具有波動性又具有粒子性 光電效應(yīng)證實了光的粒子性 因為光子的能量是一份一份的 不能積累 所以光電效應(yīng)具有瞬時性 這與光的波動性矛盾 A項錯誤 同理 因為光子的能量不能積累 所以只有當光子的頻率大于金屬的極限頻率時 才會發(fā)生光電效應(yīng) B項錯誤 光強增大時 光子數(shù)量和能量都增大 所以光電流會增大 這與波動性無關(guān) C項正確 一個光電子只能吸收一個光子 所以入射光的頻率增大 光電子吸收的能量變大 所以最大初動能變大 D項錯誤 白天的天空各處都是亮的 是大氣分子對太陽光散射的結(jié)果 美國物理學家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學獎 假設(shè)一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后 電子向某一個方向運動 光子沿另一方向散射出去 則這個散射光子跟原來的光子相比 A 頻率變大B 速度變小C 光子能量變大D 波長變長 變式訓練3 一個沿著一定方向運動的光子和一個原來靜止的自由電子相互碰撞 碰撞之后電子向某一方向運動 而光子沿著另一方向散射出去 則這個散射光子跟原來入射時相比 A A 散射光子的能量減少B 光子的能量增加 頻率也增大C 速度減小D 波長減小解析 由于光子既具有能量 也具有動量 因此在碰撞過程中遵循能量守恒定律 所以光子能量減少 頻率減小 波長增大