版 第4章 1量子概念的诞生2光电效应与光的量子说.docx

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版第4章1量子概念的诞生2光电效应与光的量子说

1．量子概念的诞生

2．光电效应与光的量子说

学习目标

知识脉络

1.了解热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射，了解黑体辐射的实验规律及黑体辐射电磁波强度随波长的分布曲线．（重点）

2．了解普朗克提出的能量子的概念，了解量子论诞生的历史意义．

3．知道光电效应中截止频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾．（重点）

4．知道光子说及其对光电效应的解释．（重点）

5．掌握爱因斯坦光电效应方程并会用它来解决简单问题．（难点）

量子概念的诞生

1．热辐射

我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，而且辐射强度随波长如何分布都与物体的温度相关，所以物理上把这种辐射称为热辐射，物体热辐射中随温度的升高，辐射的较短波长的电磁波的成分越来越强．

2．黑体与黑体辐射

（1）黑体：

如果某物体能够全部吸收外来电磁波而不发生反射，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体．

（2）黑体辐射的实验规律

①一般材料的物体，辐射电磁波的情况，除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．

②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关．随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．

（3）维恩和瑞利的理论解释

①建立理论的基础：

依据经典理论的知识寻求黑体辐射的理论解释．

②维恩公式：

在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大．

③瑞利公式：

在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，由理论得出的荒谬结果被称为“紫外灾难”．

3．普朗克提出的能量子的概念

（1）普朗克的假设

振动的带电谐振子具有的能量是不连续的，只能取一些分立的值，即En＝nhν（n＝1,2,3，…），即能量E只能取hν的整数倍，最小的一份能量ε＝hν称为能量子，式中ν是谐振动的频率，h是一个常数，称为普朗克常量．h＝6.62606876（52）×10－34J·s.

（2）普朗克理论的意义

①利用能量子的假设，普朗克推导出了与实验相符的公式（即普朗克公式）成功的解决了黑体辐射问题．

②普朗克在1900年把能量子列入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一．

1．能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体．（√）

2．温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大．（√）

3．微观粒子的能量只能是能量子的整数倍．（√）

4．能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比．（√）

5．光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也是量子化的．（×）

1．黑体是指黑颜色的物体吗？

【提示】　黑体不是指黑颜色的物体，是指能完全吸收电磁波的物体．

2．为了得出同实验相符的黑体辐射公式，普朗克提出了什么样的观点？

【提示】　普朗克提出了量子化的观点．量子化是微观世界的基本特点，其所有的变化都是不连续的．

1．对黑体的理解

绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替．如图411所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体．

图411

2．一般物体与黑体的比较

热辐射特点

吸收、反射特点

一般

物体

辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关

既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关

黑体

辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关

完全吸收各种入射电磁波，不反射

3.黑体辐射的实验规律

（1）温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值．

（2）随着温度的升高

图412

①各种波长的辐射强度都有增加；

②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．如图412所示．

4．普朗克的量子化假设的意义

（1）普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响，成为物理学发展史上一个重大转折点．

（2）普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征．

1．（多选）黑体辐射的实验规律如图413所示，由图可知（　　）

图413

A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加

B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加

C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动

D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动

【解析】　由图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误．

【答案】　ACD

2．（多选）下列叙述正确的是（　　）

A．一切物体都在辐射电磁波

B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关

C．一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关

D．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关

【解析】　根据热辐射定义知A对；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B、C错、D对．

【答案】　AD

3．氦氖激光器发射波长为6328

的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？

若该激光器的发光功率为18mW，则每秒发射多少个光子？

【解析】　根据爱因斯坦光子学说，光子能量E＝hν，

而λν＝c，所以：

E＝

＝

J＝3.14×10－19J.

因为发光功率已知，所以1s内发射的光子数为：

n＝

＝

个＝5.73×1016个．

【答案】　3.14×10－19J　5.73×1016个

电磁波的辐射和吸收

（1）比较辐射、吸收首先要分清是黑体还是一般物体．

（2）随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．

（3）能量子假说的意义：

可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象．

光电效应与光的量子说

1．光电效应定义

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．

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）对于给定的光电阴极材料，都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率ν0，叫做光电效应的截止频率，亦称为极限频率．只有超过截止频率的光，才能引起光电效应．不同金属材料的截止频率不同．

（2）当入射光的频率高于截止频率、光电流出现时，光电流的大小由光强决定，光强越大，光电流越大．

（3）从阴极发出的光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系．

（4）只要光的频率大于截止频率，即使用极弱的入射光，光电子总能立刻（约10－9s）发射出来．

4．光子说

光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，这些能量子称为光子．

5．光电效应方程

（1）对光电效应的说明

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，其中一部分用来克服金属的逸出功W，另一部分为光电子的初动能Ek.

（2）光电效应方程

Ek＝hν－W.

1．任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．（×）

2．金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．（×）

3．不同的金属逸出功不同，因此金属对应的截止频率也不同．（√）

4．入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多．（√）

1．不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？

【提示】　由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的初动能是不同的．

2．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比吗？

【提示】　不成正比．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．

1．爱因斯坦光子理论对光电效应的解释

（1）解释极限频率的存在：

光照射到金属板时，光子将能量传递给电子，每个光子的能量为hν，所以一个光子传递给一个电子的能量为hν，电子要脱离原子核的引力，有一个最小能量，最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率，即极限频率．如果小于这一频率，即使增大光强，也不会使电子逸出．这是因为增大光强，只是增加了吸收光子能量的电子数，单个电子吸收的光子能量仍为hν，电子仍不能逸出．

（2）解释光电效应的瞬时性：

电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的．如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出．因为一个电子吸收一个光子后，在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子，所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面．

（3）解释最大初动能与频率的关系：

由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋

mv2可知，电子从金属中逸出所需克服束缚而消耗的能量的最小值为逸出功，从金属表面逸出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能．就其他逸出的电子而言，离开金属时的动能小于最大初动能．最大初动能的大小与光的强度无关，与光的频率有关．

2．光电效应规律中的两个关系

（1）由hν＝W＋

mv2得

mv2＝hν－W，逸出电子的最大初动能Ekm（即

mv2）与入射光的频率成一次函数关系．

（2）产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多．即如果形成光电流，光电流的强度与入射光的强度成正比．

4．如图414所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是（　　）

图414

A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转

B．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转

C．锌板带的是负电荷

D．验电器指针带的是负电荷

【解析】　将擦得很亮的锌板与验电器连接，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和验电器指针带正电．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，锌板带正电，选项A正确．红光不能使锌板发生光电效应．

【答案】　A

5．（多选）对光电效应的理解正确的是（　　）

【导学号：

22482059】

A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属

B．在光电效应中，一个电子只能吸收一个光子

C．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应

D．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大

【解析】　按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大；但要使电子离开金属，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小．综上所述，选项B、C正确．

【答案】　BC

6．（多选）已知能使某金属产生光电效应的截止频率为ν0，则（　　）

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．金属的逸出功与照射光的频率无关

【解析】　根据截止频率跟逸出功的关系：

W0＝hν0，光电效应方程

mv

＝hν－W0，判断A、B、D正确．

【答案】　ABD

7．小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意如图415甲所示．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s.

图415

（1）图甲中电极A为光电管的________（选填“阴极”或“阳极”）；

（2）实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc＝________Hz，逸出功W0＝________J；

（3）如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek＝________J.

【解析】　

（1）在光电效应中，电子向A极运动，故电极A为光电管的阳极．

（2）由题图可知，铷的截止频率νc为5.15×1014Hz，逸出功W0＝hνc＝6.63×10－34×5.15×1014J≈3.41×10－19J.

（3）当入射光的频率为ν＝7.00×1014Hz时，由Ek＝hν－hνc得，光电子的最大初动能为Ek＝6.63×10－34×（7.00－5.15）×1014J≈1.23×10－19J.

【答案】　

（1）阳极　

（2）5.15×1014[（5.12～5.18）×1014均视为正确]　3.41×10－19[（3.39～3.43）×10－19均视为正确]　（3）1.23×10－19[（1.21～1.25）×10－19均视为正确]

利用光电效应规律解题应明确的两点

（1）光电流

光电效应现象中光电流存在饱和值（对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态），光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比．

（2）两个决定关系

①逸出功W一定时，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能．

②入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数．