光电效应

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光电效应的实验规律

1. 光电效应现象： 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。如图所示。

2. 光电子： 光电效应中发射出来的电子。

3. 光电效应的实验规律

（1）存在着饱和光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

（2）存在着截止频率和遏止电压：当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应；遏止电压与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。入射光的频率越高，遏止电压越大。

（3）光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过10-9s。

光电效应经典解释中的疑难

1. 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。

2. 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应该与光的强弱有关。

3. 如果光很弱，按照经典电磁理论估算，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。

这些结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家们的认真思考。

爱因斯坦的光电效应理论

1. 光子： 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能量子组成的，频率为 ν 的光的能量子为 hν，h 为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。

2. 光电效应方程： 在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 hν ，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功 W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即hν = Ek + W0 或 Ek = hν – W0

3. 对光电效应方程的理解

（1）光电子的动能：方程 Ek = hν － W0 中，Ek 为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值。

（2）方程实质：方程 Ek = hν － W0 实质上是能量守恒方程。

（3）产生光电效应的条件：方程 Ek = hν － W0 包含了产生光电效应的条件， 即要产生光电效应，须 Ek = hν － W0 > 0，亦即 hν > W0，V> W0 /h，而 Vc = W0 /h 就是金属的极限频率。

（4）截止频率 Vc：方程 Ek = hν － W0 表明，光电子的最大初动能Ek 与入射光的频率 ν 存在线性关系（如图所示），与光强有关。图中横轴上的截距是截止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量。

（5）逸出功：方程 Ek = hν － W0 中的逸出功 W0 为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量，不同金属的逸出功是不同的。

（6）光电效应规律

照射光强度决定着每秒钟光源发射的光子数

照射光频率决定着每个光子的能量 hv

每秒钟逸出的光电子数决定着光电流的强弱

光电子逸出后的最大初动能 mV²/2

光越强 → 光子数目多 → 发射光电子多 → 光电流大

光子频率高 → 光子能量大 → 产生光电子的最大初动能大

康普顿效应和光子的动量

1. 光的散射： 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。

2. 康普顿效应： 美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时，发现在散射的 X 射线中，除了与入射波长 λ0 相同的成分外，还有波长大于 λ0 的成分，这个现象称为康普顿效应。

3. 光子的动量

（1）表达式：p=h/λ

（2）说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小，因此，有些光子散射后波长变长。

4. 光子说对康普顿效应的解释

（1）假定 X 射线光子与电子发生弹性碰撞。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）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。

5. 光电效应与康普顿效应的对比

（1）光电效应与康普顿效应都说明了光具有粒子性。

（2）波长较短的 X 射线或 γ 射线产生康普顿效应，波长较长的可见光或紫外光产生光电效应。

光的波粒二象性

1. 光学发展史

2. 光的波动性与粒子性的统一

（1）大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象；个别光子产生的效果显示出粒子性。

（2）光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量。和其他物质相互作用时，粒子性起主要作用。

（3）光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是波动性的特征物理量，因此 ε = hν 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。

（4）对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。

（5）光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性。

综上所述，光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，相互间并不是独立的。

光的粒子性


高中物理知识点总结

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