第二节 光的粒子性
课堂探究
探究一 正确理解光电效应中的五组概念
问题导引
将锌板和验电器连在一起，然后用紫外线灯照射锌板，会发生一个奇妙的现象，验电器的金属箔片张开一个角度，这一现象说明了锌板在紫外线照射下带电了。为什么会这样呢？验电器上带何种电荷？
提示：锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度。
名师精讲
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，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，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；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，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
3．光子的能量与入射光的强度：光子的能量即每个光子的能量，其值为E＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。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hν与入射光子数n的乘积。即光强等于nhν。
4．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。
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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【例题1】 利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则( )
A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过
B．用红外线照射，电流表一定无电流通过
C．用频率为ν的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑动触头移到最右端时，电流表一定无电流通过
D．用频率为ν的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑动触头向左端移动时，电流表示数可能不变
解析：因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射，电流表一定有电流通过，A错；因不知阴极K的极限频率，所以用红外线照射，可能发生光电效应，电流表可能有电流通过，B错；由于发生了光电效应，即使A、K间的电压UAK＝0，电流表中也有电流通过，所以C错；当滑动变阻器的滑动触头向左端移动时，阳极吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极时，电流达到最大，即饱和电流，若在移动前，电流已经达到饱和电流，那么再增大UAK，光电流也不会增大，所以D对。
答案：D
反思 正确理解发生光电效应的规律、光电管的工作原理和光电流的形成原因，是解题的关键。
探究二 爱因斯坦的光电效应方程
1．光电效应方程：Ek＝hν－W0，其中Ek为光电子的最大初动能，W0为金属的逸出功。
2．对方程的四点理解
(1)公式中的Ek＝mev2
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，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～mev2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mev2，根据能量守恒定律可知：
Ek＝hν－W0。
(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。
(4)Ekν曲线。如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线。这里，横轴上的截距是截止频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。
警示(1)光电效应发生的条件是：入射光的频率大于截止频率。还要注意，不同金属的截止频率是不同的。
(2)发生光电效应时，电子克服金属原子核的引力逸出时，具有的动能大小不同，金属表面上的电子逸出时，动能的值最大，称为最大初动能。
【例题2】 已知金属铯的逸出功为1.9 eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大初动能为1.0 eV，则入射光子的能量应为多大？
点拨： ―→
解析：由爱因斯坦的光电效应方程
Ek＝hν－W0
得hν＝Ek＋W0＝(1.0＋1.9) eV＝2.9 eV。
答案：2.9 eV
反思 由爱因斯坦光电效应方程求得的是光电子的最大初动能，即从金属表面逸出的电子的动能。
触类旁通你能计算出入射光的波长吗？
答案：因为ε＝hν，c＝λν
所以λ＝＝m＝4.3×10－7 m。
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