2 光的粒子性
课堂合作探究
问题导学
一、光电效应现象
活动与探究1
1．光子与光电子是同一种物质吗？
2．光电子的动能与光电子的最大初动能的区别是什么？
3．什么是光电流和饱和光电流？
4．波动理论在解释光电效应时，碰到了怎样的困难？
迁移与应用1
如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（ ）
A．入射光太弱
B．入射光波长太长
C．光照时间短
D．电源正负极接反
光电效应实验规律可理解记忆：“放（放出光电子）不放，看光频（入射光的截止频率）；放多少（光电子），看光强（入射光的光强与光子数成正比）；（光电子的）最大初动能大小，看（入射光的）频率；要放瞬时放。”
二、光电效应现象的解释
活动与探究2
1．光电效应方程的实质是什么？
2．对光电效应方程Ek＝hν－W0，你是如何理解的？
3．如何理解光电效应规律中的两个关系？
4．光子说是如何正确解释光电效应的？
迁移与应用2
已知能使某金属产生光电效应的截止频率为νc，则下列说法正确的是（ ）
A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc
C．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大
D．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
光电效应的理解应从以下几点入手：
1．逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关，两者的关系是W0＝hνc；
2．光的强度决定了单位时间内逸出的光电子数目；
3．逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。
三、康普顿效应
活动与探究3
1．光子说是如何对康普顿效应进行解释的？
2．对比光电效应与康普顿效应，你发现了什么？
4
迁移与应用3
白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果。假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比（ ）
A．频率变大 B．频率不变
C．光子能量变大 D．波长变长
在康普顿效应中，入射光子的能量总是大于等于散射光子的能量。散射光子和入射光子的波长、频率间的关系可以由能量关系进行判断。
当堂检测
1．用下面哪种射线照射同一种金属最有可能产生光电效应，且逸出的光电子的速率最大（ ）
A．紫外线 B．可见光 C．红外线 D．γ射线
2．用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应。现将该单色光的光强减弱，则下列说法中正确的是（ ）
①光电子的最大初动能不变 ②光电子的最大初动能减小 ③单位时间内产生的光电子数减少 ④可能不发生光电效应
A．①③ B．②③ C．①② D．③④
3．光电效应实验的装置如图所示，则下列说法中正确的是（ ）
A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转
B．用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转
C．锌板带的是负电荷
D．使验电器指针发生偏转的是正电荷
4．某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是（ ）
A．延长光照时间
B．增大光的强度
C．换用波长较短的光照射
D．换用频率较低的光照射
5．用一束单色光照射截止频率为νc＝1.5×1015 Hz的某种金属，产生的光电子的最大初动能Ek＝6 eV，求该单色光一个光子的动量。
答案：
课堂·合作探究
【问题导学】
活动与探究1：1．答案：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，光子是光电效应的因，光电子是果。
2．答案：光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，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；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，才具有最大初动能。
3．答案：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，这个饱和值就是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
4
4．答案：
波动理论解释
光电效应的实验事实
困难1
按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应
如果光的频率小于金属的截止频率，无论光强多大，都没有光电效应发生
困难2
光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，即出射电子的初动能应该由入射光的能量即光强来决定
出射电子的初动能与光强无关，与频率有关
困难3
光强大时，电子能量积累的时间就短；光强小时，电子能量积累的时间就长
当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎在一开始就产生了光电子
迁移与应用1：BD 点拨：光电效应的实质是光照使金属发射电子，金属存在截止频率，超过截止频率的光照射金属才会有光电子射出。发射的电子的动能随频率的增大而增大，动能小时不能克服反向电压，也不能有光电流产生。
解析：入射光的波长太长，频率低于截止频率，不能产生光电效应，选项B正确；电路中电源接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，选项D正确。
活动与探究2：1．答案：光电效应方程的实质就是能量转化和守恒定律。
2．答案：（1）公式中的Ek是光电子的最大初动能，对某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值。
（2）光电效应方程实质上是能量守恒方程。
能量为ε＝hν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。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Ek，根据能量守恒定律可知：
hν＝W0＋Ek。
（3）光电效应方程包含了产生光电效应的条件。
若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0＞0，亦即hν＞W0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是金属的截止频率。
3．答案：在光电效应实验规律中，有两个关系：光电子的最大初动能随入射光频率ν的增大而增大；光电流的强度跟入射光强度成正比。注意第一个关系中并不是成正比，而第二个关系是成正比，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，对于某一金属而言，逸出功W0是一定值，普朗克常量h是一常数，故从上式可看出，最大初动能Ek与入射光频率ν成一次函数关系，图象如图所示。
我们容易推得，光电流的强度跟入射光的强度成正比。光电流的强度是指在垂直于光的传播方向上每平方米的面积上1 s内通过的所有光子能量的总和。在光的频率一定时，光电流强度与入射光的强度成正比。
4．答案：光子落在金属表面上时，逸出电子，就像机枪子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。
4
其一，解释截止频率的存在，电子要脱离原子核的引力，有一个最小能量，这个能量来自光子，最小能量对应的频率就是截止频率。
其二，解释光电效应的瞬时性，电子吸收光子能量时间极短，几乎是瞬时完成的。
其三，用光电效应方程解释电子最大初动能只与入射光频率有关，其中W0是逸出功，hν是光子能量，该式表示了金属表面逸出的电子的动能大小，可知电子的动能与光子能量的关系。
其四，解释电流的强度与入射光的强度成正比。当已经发生光电效应时，光的强度越大，光子数目越多，当然逸出的电子数目也越多，电流的强度也越大。
迁移与应用2：AB 解析：对光电效应方程的应用。该金属的截止频率为νc，则可知逸出功W0＝hνc，逸出功由金属自身性质决定，与照射光的频率无关，因此选项C错误；由光电效应的规律可知选项A正确；由光电效应方程Ekm＝hνc－W0将W0＝hνc代入可知选项B正确，选项D错误。因此本题正确选项为A、B。
活动与探究3：1．答案：假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似。按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量ε＝hν，而且还有动量，如图所示。这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由hν减小为hν′，因此频率减小，波长增大。同时，光子还使电子获得一定的动量。
2．答案：光电效应与康普顿效应都说明了光具有粒子性。
迁移与应用3：D 解析：运动的光子和一个静止的自由电子碰撞时，既遵守能量守恒，又遵守动量守恒。碰撞中光子将能量为hν的一部分传递给了电子，光子的能量减少，波长变长，频率减小，D选项正确。
【当堂检测】
1．D 解析：频率越大的光越有可能，并且逸出的光电子的速率最大。从给出的四种光来看，D项的频率最大。
2．A 解析：由光电效应规律知，光电子的最大初动能由入射光的频率和金属的逸出功共同决定，与入射光的强度无关，故①对；单位时间内产生的光电子数与入射光的强度成正比，光强减弱，则单位时间内产生的光电子数减少，即③也正确。
3．AD 解析：紫外线频率大于锌板的截止频率，故锌板会发生光电效应，向外放出光电子，从而使锌板和验电器带上正电荷，所以A、D正确。
4．C 解析：光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的截止频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D均错误；又因ν＝，所以选项C正确。
5．答案：6.5×10－27 kg·m/s
解析：金属的逸出功W0＝hνc，由光电效应方程Ek＝hν－W0得，hν＝Ek＋W0＝Ek＋hνc，因一个光子的动量p＝，由c＝λν得p＝，则p＝
＝ kg·m/s
＝6.5×10－27 kg·m/s。
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