第2节 光的粒子性
1．光电效应的实验规律．
(1)光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这种现象被称为光电效应，这种电子叫光电子．
(2)光电效应的实验规律．
用如下图所示的电路研究光电效应中光电流与光照强度、光的频率等物理量的关系，阴极K和阳极A在密封的真空玻璃内，阴极K在受到光照时会发射光电子，阳极A吸收光电子而形成光电流．实验结果表明：
①存在饱和电流．如上图所示实验中，在光照条件不变情况下，阳极A与阴极K之间电压增大，光电流趋于一个饱和值，即使再增大电压，电流不会增大，入射光越强，饱和电流越大．这表明入射光越强，阴极K在单位时间内发出的光电子数目越多．
②存在遏止电压．如上图所示实验中，若A接负极，K接正极，在光电管两极间形成使光电子减速的电场，这时，使光电流减小到零的反向电压Uc称为遏止电压，根据动能定理有＝eUc．
③存在截止频率．当入射光的频率小到某一数值νc时，遏止电压Uc减小到零时，也没有光电流，即没有光电子产生，即没有发生光电效应，νc称为截止频率或极限频率．这就是说，当入射光的频率ν≤νc时，不论光多么强，光电效应都不会发生．
④光电效应具有瞬时性．从光照射到金属表面到其表面逸出光电子的时间一般不超过 s，即光电效应几乎是瞬时的．
2．光电效应解释中的疑难．
(1)逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫作这种金属的逸出功，用字母W0表示，不同金属的逸出功是不同的．
(2)光电效应中，经典电磁理论无法解释的有：光电子初动能与光强弱无关，遏止电压Uc
6
与光强弱无关；发生光电效应时，入射光的频率存在一个极限频率；发生光电效应的时间只需 s.
3．爱因斯坦光电效应方程．
(1)光子：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，这些能量子被称为光子．
(2)爱因斯坦光电效应方程：在光电效应中，金属表面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)用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应的实验规律．
①方程Ek＝hν－W0表明，光电子的初动能与入射光的频率ν成线性关系，与光强无关．只有当hν>W0时，才有光电子逸出，νc＝是光电效应的截止频率．
②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然是瞬时发生的．
③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比．
4．康普顿效应．
(1)光的散射：光在介质中与物质微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变，这种现象叫作光的散射．
(2)康普顿效应：在光的散射时，除有与入射波长相同的光，还有波长比入射波长大的光，这种现象称为康普顿效应．康普顿的学生：中国留学生吴有训证实了康普顿效应的普遍性．
光电效应表明光子具有能量，康普顿效应表明光子还具有动量，两种效应深入地揭示了光的粒子性的一面．
5．光子的动量．
光子的动量p＝．在康普顿效应中，由于入射光子与物质微粒的碰撞，光子的动量变小，因此波长变大．
1．(多选)光电效应实验的装置如图所示，用弧光的灯照射锌板，验电器指针张开一个角度．则下列说法中正确的是(AD)
6
A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转
B．用绿光照射锌板，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
解析：将锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，带正电，选项A、D正确．绿光不能使锌板发生光电效应．
2．(多选)下列关于光子的说法中，正确的是(AC)
A．在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子
B．光子的能量由光强决定，光强大，每份光子的能量一定大
C．光子的能量由光频率决定，其能量与它的频率成正比
D．光子可以被电场加速
解析：按照爱因斯坦的光子说，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝hν，与光的强度无关，故A、C正确，B错误，光子不带电，不能被电场加速，D错误．
3．当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时(C)
A．锌板带负电
B．有正离子从锌板逸出
C．有电子从锌板逸出
D．锌板会吸附空气中的正离子
解析：当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，有电子从锌板逸出，锌板带正电，选项C正确，ABD错误．
4．(多选)光电效应的实验结论是：对于某种金属(AD)
A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应
B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应
C．超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小
D．超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大
解析：每种金属都有它的极限频率ν0，只有入射光子的频率大于等于频率ν0时，才会发生光电效应，且入射光的强度越大则产生的光子数越多，光电流越强；由光电效应方程Ek＝hν－W0＝hν－hν0，可知入射光子的频率越大，产生的光电子的最大初动能也越大，与入射光的强度无关，所以A、D正确．
5．(多选)如图所示电路的全部接线及元件均完好．用光照射光电管的K极板，发现电流计无电流通过，可能的原因是(BC)
6
A．A、K间加的电压不够高
B．电源正负极接反了
C．照射光的频率不够高
D．照射光的强度不够大
解析：若照射光的频率很低，则不能发生光电效应；如果发生光电效应，但是电源正负极接反了，且电压高于遏止电压，电流表中也不会有电流，故B、C选项正确．
6．(多选)已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0，则(AB)
A．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0
C．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大
D．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
解析：当入射光的频率大于等于金属的极限频率时，就会发生光电效应，A选项正确；由于金属材料一定，极限频率一定，逸出功W逸＝hν0一定，ν0为极限频率，ν增大，逸出功不变，C选项错误．由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W逸，得ν＝2ν0时，Ekm＝hν－W逸＝2hν0－hν0＝hν0，当ν增大一倍，ν＝4ν0时，Ekm＝hν－W逸＝4hν0－hν0＝3hν0，所以B选项正确，D选项错误．
7．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中 (C)
A．能量守恒，动量不守恒，且λ＝λ′
B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′
C．能量守恒，动量守恒，且λ＜λ′
D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′
解析：能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界，也适用于微观世界．光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律．光子与电子碰撞前光子的能量ε＝hν＝h，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量ε′＝hν′＝h，由ε＞ε′可知λ＜λ′，选项C正确．
8．(多选)某金属的逸出功为2.3 eV，这意味着(BC)
A．这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脱离表面
B．这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脱离表面
C．要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量必须大于2.3 eV
D．这种金属受到光照时若有电子逸出，则电子离开金属表面时的动能至少等于2.3 eV
解析：逸出功指原子的最外层电子脱离原子核克服引力做的功，选B、C.
6
9．某光电管的阴极是用金属制成的，它的逸出功为2.21 eV，用波长为2.5× m的紫外线照射阴极，已知真空中光速为3.0× m/s，元电荷为1.6× C，普朗克常量为6.63×J·s，求得该金属的极限频率和该光电管发射的光电子的最大初动能应分别是(B)
解析：
10．用不同频率的光分别照射钨和锌，产生光电效应，根据实验可画出光电子的最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ekν图线．已知钨的逸出功是3.28 eV，锌的逸出功为3.34 eV，若将二者的图线画在同一个Ekν坐标系中，则正确的图是(A)
解析：根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν图象的斜率为普朗克常量h，因此图中两线应平行，故C、D错误；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时的入射光频率即极限频率．由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高，所以能使金属锌发生光电效应的极限频率越高，所以A正确，B错误．
11．光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程，对此下列说法正确的是(D)
6
A．两种效应中电子与光子组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律
B．两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程
C．两种效应都属于吸收光子的过程
D．光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应相当于光子和电子弹性碰撞的过程
解析：光电效应吸收光子放出电子，其过程能量守恒，但动量不守恒，康普顿效应相当于光子与电子弹性碰撞的过程，并且遵守动量守恒定律和能量守恒定律，两种效应都说明光具有粒子性．故D正确．
12．铝的逸出功为4.2 eV，现用波长200 nm的光照射铝的表面．已知h＝6.63× J·s，求：
(1)光电子的最大初动能；
(2)遏止电压；
(3)铝的极限频率．
解析：
6
微信/支付宝扫码支付