1、第二节第二节 光子光子 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道普朗克的能量量子假说.2.知道爱因斯坦的光子假说以及光子能量的表达式. 3.知道爱因斯坦的光电效应方程以及对光电效应规律的解释. 科学态度与责任：了解能量子和量子化概念的提出过程，体会物理学发展的艰辛. 科学思维：1.应用光子假说解释光电效应的规律.2.应用光电效应方程解决光电效应综合问题. 一、能量量子假说 1.1900 年，德国物理学家普朗克在研究电磁波的辐射问题时，首次提出能量量子假说，认为 物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的， 只能是 h 的整数倍， h 称为一个能量量子， h 称为普朗克常量. 2.微观世界里，物理量
2、的取值有很多时候是不连续的，只能取一些分立的值，这种现象称为 量子化现象. 二、光子假说和光电效应方程 1.光子假说 (1)爱因斯坦指出，光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，一个光子 的能量为 h. (2)光子概念是量子思想的一个质的飞跃，可以完美地解释光电效应的各种特征. 2.光电效应方程 (1)表达式：h1 2mvmax 2W 0或1 2mvmax 2hW 0. (2)对光电效应方程的理解：必须对内部电子做功，电子才能脱离离子的束缚而逸出表面，这 个功称为金属的逸出功，用符号 W0表示.根据能量守恒定律，入射光子的能量等于出射光电 子的最大初动能与逸出功之和. 三、光电
3、效应的解释 1.光电效应方程说明了产生光电效应的条件. 若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于或等于零，即1 2mvmax 2hW 00，亦即 hW0，W0 h 0，而 0W0 h 恰好是光电效应的极限频率. 2.对遏止电压与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关的解释 遏止电压对应光电子的最大初动能， 即： eU01 2mvmax 2， 根据爱因斯坦的光电效应方程可得： heU0W0，可见，对于某种金属，也就是逸出功 W0一定的情况下，遏止电压只由入射光 频率决定，与光的强弱无关. 1.判断下列说法的正误. (1)物体热辐射的电磁波的能量是不连续的.( ) (2)所谓量子化即物理量的取
4、值是分立的，是不连续的.( ) (3)从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小.( ) (4)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比.( ) 2.用如图 1 甲所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为 5 eV 的光照射到光电管上时， 测得电流计上的示数随电压变化的图象如图乙所示.则光电子的最大初动能为_ J，金 属的逸出功为_ J.(电子电荷量 e1.610 19 C) 图 1 答案 3.210 19 4.81019 解析 由题图乙可知，当该装置所加的电压为反向电压等于2 V 时，电流表示数为 0，故光 电子的最大初动能为 2 eV3.210 19 J，根据光电效应方程
5、可得，1 2mvmax 2hW 0，则 W0 3 eV4.810 19 J. 一、对光子概念的理解 1.对能量量子化的理解 (1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停 留在不符合这些能量的任何一个中间状态. (2)在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为： 物体的运动是连续的， 能量变化是连续的， 不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化. (3)能量子公式：h 是电磁波的频率，h 是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为 h6.62610 34 J s. (4)能量的量子化 在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子
6、化. 2.对光子概念的理解 (1)光子不是光电子：光子是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)光子的能量由光的频率决定：h. (3)光的强度与光子的能量的关系：入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的 总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积. 例 1 人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为 530 nm 的绿光时，只要每秒钟有 6 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉.普朗克常量为 6.6310 34 J s，光速为 3108 m/s， 则人眼能察觉到绿光
7、时所接收到的最小功率约是( ) A.2.310 18 W B.3.810 19 W C.7.010 10 W D.1.210 18 W 答案 A 解析 察觉到绿光所接收的最小功率 PE t， 因只要每秒有 6 个绿光的光子射入瞳孔， 眼睛就 能察觉，所以式中 E6，又 hhc ， 可解得 P66.6310 343108 53010 9 W2.310 18 W. 提示 解决此类题目的关键是熟练掌握 h 和 c 及 EnPt 等公式. 例 2 (多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是( ) A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收 B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C
8、.吸收的能量可以是连续的 D.辐射和吸收的能量是量子化的 答案 ABD 解析 带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值能量子 为单位一份一份地辐射或吸 收的，是不连续的，故选项 A、B、D 正确，C 错误. 学科素养 例 2 考查了带电微粒辐射、吸收的能量量子化的特点，加强了对能量量子化的 认识，促进了能量量子化物理观念的形成. 二、光电效应方程的理解与应用 1.光电效应方程实质上是能量守恒方程 (1)能量为 h 的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸 引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能. (2)如果克服吸引力做功最少为 W0，则电子离开金属表面时动能最大为1
9、2mvmax 2，根据能量守 恒定律可知：1 2mvmax 2hW 0. 2.光子说对光电效应的解释 (1)饱和电流与光强关系：一定频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产 生的光电子越多，因而饱和电流越大. (2)存在极限频率和遏止电压. 例 3 (多选)在光电效应实验中，分别用频率为 a、b的单色光 a、b 照射到同种金属上，测 得相应的遏止电压分别为 Ua和 Ub，光电子的最大初动能分别为 Eka和 Ekb.h 为普朗克常量. 下列说法正确的是( ) A.若 ab，则一定有 UaUb B.若 ab，则一定有 EkaEkb C.若 UaUb，则一定有 EkaEkb D.若 a
10、b，则一定有 haEkahbEkb 答案 BC 解析 由爱因斯坦光电效应方程得，EkhW0，由动能定理得，EkeU，若用 a、b 单色 光照射同种金属时， 逸出功 W0相同.当 ab时， 一定有 EkaEkb， UaUb， 故选项 A 错误， B 正确；若 UaUb，则一定有 EkaEkb，故选项 C 正确；因逸出功相同，有 W0 ha Eka hb Ekb，故选项 D 错误. 三、光电效应图象问题 1.Ek 图线 如图 2 所示，为光电子最大初动能 Ek随入射光频率 的变化图线，由 EkhW0知，横轴 上的截距是阴极金属的极限频率 0，纵轴上的截距是阴极金属的逸出功的负值W0，斜率是 普朗克
11、常量 h. 图 2 2.IU 图线 如图 3 所示是光电流 I 随光电管两极板间电压 U 的变化曲线，图中 Im为饱和光电流，U0为 遏止电压. 图 3 说明：(1)由 EkeU0和 EkhW0知，同一色光，遏止电压相同，与入射光强度无关；不同 色光，频率越大，遏止电压越大； (2)在入射光频率一定时，饱和光电流随入射光强度的增大而增大. 例 4 (多选)(2018 张家口市高二下学期期末)如图 4，直线为光电子最大初动能与入射光频 率的关系，已知直线的纵、横截距分别为a、b，电子电荷量为 e，下列说法正确的是( ) 图 4 A.普朗克常量 hb a B.金属的极限频率 0b C.金属的逸出功
12、 W0a D.若入射光频率为 2b，则光电子的初动能一定为 a 答案 BC 解析 根据光电效应方程 EkhW0hh0知光电子的最大初动能 Ek与入射光频率 成 线性关系，Ek 图线的斜率表示普朗克常量，根据图线斜率可得出普朗克常量 ha b，逸出 功 W0a.横截距表示最大初动能为零时的入射光频率，此时的频率等于金属的极限频率 b， 故 B、C 正确，A 错误；据光电效应方程可知，入射光频率为 2b 时，最大初动能为：h 2b aa，但是光电子的初动能不一定为 a，故 D 错误. 处理图象问题时要理解图象的物理意义，写出图象所对应的函数关系式，明确斜率和截距的 物理意义. 例 5 (多选)在如
13、图 5 所示的光电管的实验中(电源正、负极可以对调)，用同一光电管得到 了三条可见光的光电流与电压之间的关系曲线(图中的甲光、乙光、丙光).下列说法中正确的 有( ) 图 5 A.只要电流表中有电流通过，光电管中就发生了光电效应 B.同一光电管对不同颜色的单色光有各自不同的极限频率 C.电流表 G 的电流方向可以是 a 流向 b，也可以是 b 流向 a D.由于甲光和乙光有共同的 U02，可以确定甲光和乙光是同一种色光 答案 AD 解析 由题图可知，只要电流表中有电流，则有光电子通过电流表，因此一定发生了光电效 应，故 A 正确；同一金属，极限频率是相同的，故 B 错误；由光电管结构可知，光电
14、子由右 向左运动，则电流方向是从左向右，即 a 流向 b，故 C 错误；根据 eU0EkhW0，入射 光的频率越高，对应的遏止电压 U0越大，甲光、乙光的遏止电压相等，所以甲光、乙光的频 率相等，即为同种光，故 D 正确. 1.逸出功 W0对应着某一极限频率 0，即 W0h0，只有入射光的频率 0时才有光电子逸 出，即才能发生光电效应. 2.对于某一金属(0一定)，入射光的频率决定着能否发生光电效应及光电子的最大初动能，而 与入射光的强度无关. 3.逸出功和极限频率均由金属本身决定，与其他因素无关. 1.(对能量子的理解)(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是( ) A.振动着
15、的带电微粒的能量只能是某一能量值 B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C.能量子与电磁波的频率成正比 D.这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的 答案 BC 解析 由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍， A 错误，B 正确；能量子 h，与电磁波的频率 成正比，C 正确. 2.(对光子的认识)(多选)下列对光子的认识，正确的是( ) A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒 B.光子说中的光子就是光电效应的光电子 C.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子 D.光子的能量跟光的频率成正比 答案 CD 解析 根
16、据光子说，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子. 而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒.光电效应中， 金属内的电子吸收光子后 克服原子核的库仑引力等束缚，逸出金属表面，成为光电子，故 A、B 选项错误，C 选项正 确；由 h 知，光子能量 与其频率 成正比，故 D 选项正确. 3.(光电效应方程的应用)(多选)已知能使某金属产生光电效应的极限频率为 0，则( ) A.当用频率为 20的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 B.当用频率为 20的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为 h0 C.当入射光的频率 大于 0时，若 增大，则逸出功增大 D.当
17、入射光的频率 大于 0时，若 增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍 答案 AB 解析 因入射光的频率大于或等于极限频率时会产生光电效应，所以 A 正确；因为金属的极 限频率为 0，所以逸出功 W0h0，再由 EkhW0得，Ek2h0h0h0，B 正确；因为 逸出功是光电子恰好逸出时需要做的功，对于同种金属是恒定的，故 C 错误；由 Ekh W0hh0h(0)可得，当 增大一倍时：Ek Ek 20 0 2，故 D 错误. 4.(光电效应的图象问题)在某次光电效应实验中，得到的遏止电压 U0与入射光的频率 的关 系如图 6 所示.若该直线的斜率和纵截距分别为 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_. 图 6 答案 ek eb 解析 光电效应中，入射光子能量 h，克服逸出功 W0后多余的能量转变为电子的最大初动 能，eU0hW0，整理得 U0h e W0 e ，斜率为 k，即h ek，所以普朗克常量 hek，纵截距 为 b，即 ebW0，所以逸出功 W0eb.