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光电效应和光量子理论光电效应是指当光照射到金属表面时，电子被激发并跃迁到金属内，从而产生电流的现象。
这一现象被广泛应用于太阳能电池、光电二极管和光电倍增管等设备中。
而光量子理论是解释光电效应的一个重要的理论基础。
在本文中，我们将深入探讨光电效应和光量子理论的原理、应用以及相关实验的发现。
光电效应的基本原理可以归结为光子与物质相互作用的过程。
根据爱因斯坦于1905年提出的光量子假设，光被视为由不可分割的能量量子、即光子所组成。
当光子与物质相互作用时，光子的能量可以被转移到电子上，从而使电子脱离原子，并加速流动，形成电流。
这一过程是非常迅速的，当光照射停止后，电流也会立即停止。
为了更好地理解光电效应和光量子理论，我们需要考虑几个关键因素。
首先是光的频率。
根据光量子理论，光的能量与频率成正比。
因此，当频率增加时，光子的能量也会增加。
这意味着频率越高的光，电子脱离原子需要的能量越大。
其次是材料的性质。
不同的材料对光的反应有所不同。
例如，金属通常是良好的光电材料，因为它们的原子结构可以轻易地释放电子。
然而，非金属材料如半导体对光的响应较弱，需要更高能量的光子才能激发电子。
此外，光强度也是影响光电效应的因素之一。
光的强度是指单位面积上光能通过的功率，与光子数目成正比。
当光的强度增加时，单位时间内光子的数目也增加，从而增加了与材料相互作用的光子数目。
因此，光电效应的强度也随之增加。
光电效应在许多领域中都有重要的应用。
其中最著名的应用之一就是太阳能电池。
太阳能电池利用光电效应将太阳光转化为电能。
当太阳光照射到半导体材料上时，光子激发了材料中的电子，产生电流。
这种电流可以被转化为可用的电能。
此外，光电效应还广泛应用于光电二极管和光电倍增管中。
光电二极管是一种能够将光能转化为电流的电子器件。
当光照射在光电二极管上时，光子产生的电子和空穴被分离，从而产生电流。
光电倍增管则是一种能够将微弱的光信号放大为可观测的电流信号的装置。
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[先填空]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4-1-1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4-1-12．一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(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4-1-2①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4-1-2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4-1-3所示，由图可知()图4-1-3A．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】 ACD2．(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】 AD3．氦氖激光器发射波长为6 328 A 。
光电效应与量子效应光电效应和量子效应是现代物理学领域中非常重要的概念。
它们的研究不仅对于理论物理学有重要意义，也在实际应用中具有广泛的应用价值。
本文将分别介绍光电效应和量子效应，并探讨它们在科学研究和科技发展中的作用。
光电效应是指当光线照射到金属表面时，金属表面会发射出电子的现象。
这一现象首先由德国物理学家赫尔茨在19世纪末观察到，并在20世纪初得到了爱因斯坦的解释。
根据光电效应的理论描述，当光束照射到金属表面时，光子（光的量子）与金属内的电子相互作用，将一部分能量转移给电子，使其脱离金属表面。
这一现象可以从经典物理学和量子物理学两个层面进行解释。
从经典物理学的角度来看，光电效应可以使用电磁波的理论解释。
根据电磁波的经典理论，光被认为是一种电磁波，具有波动性质。
当光照射到金属表面时，金属内的电子受到光的电场力的作用，被激发到足够高的能级，从而脱离金属表面。
然而，经典理论却无法解释光电效应中一些实验现象，如光的强度与电子释放的动能之间的关系不符合经典理论的预期。
这导致科学家开始倾向于采用量子理论来解释光电效应。
量子理论提供了对光电效应更准确和全面的解释。
根据量子理论，光既可以被视为经典电磁波，也可以被视为以光子为基本单位的粒子。
当光束照射到金属表面时，光子与金属表面的电子相互作用，能量的传递是以光子的量子形式进行的。
能量传递的大小与光子的频率有关，而不是光的强度。
频率越高的光子具有更大的能量，所以更容易将电子从金属表面解离出来。
这就解释了为什么用紫外线照射金属可以观察到光电效应，而使用可见光则很难观察到。
光电效应的研究对于现代物理学的发展有着深远的影响。
除了验证量子理论，光电效应还为测量光的频率和强度提供了重要的手段。
例如，光电效应被广泛应用于光谱学中，作为确定光子能量的方法。
此外，光电效应还在能源领域有广泛的应用，例如用于太阳能电池中，将光能转化为电能。
与光电效应类似，量子效应也是现代物理学中一个重要的概念。
第1节量子概念的诞生第2节光电效应与光量子假说学习目标核心提炼1.了解黑体辐射及能量子概念，知道黑体辐射的实验规律。
3个概念——黑体黑体辐射能量子4个光电效应规律——截止频率光强与光电流的关系最大初动能与入射光频率的关系瞬时性1个光电效应方程——hν＝12m v2＋A2.知道普朗克提出的能量子假说。
3.了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法。
4.知道光电效应方程及其意义，感受科学家在面对科学疑难时的创新精神。
一、热辐射、黑体与黑体辐射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，辐射强度随波长的分布与物体的温度有关。
2.黑体：能够全部吸收外来电磁波而不发生反射的物体。
3.一般材料物体的辐射规律：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。
4.黑体辐射：加热腔体，黑体表面就向外辐射电磁波的现象。
思考判断(1)只有高温物体才能辐射电磁波。
()(2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。
()(3)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。
()答案(1)×(2)√(3)√二、能量子1.定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常数。
h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。
3.能量子提出的意义：打破了一切自然过程都是连续变化的经典看法，第一次向人们展示了自然界的非连续特性。
思考判断(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。
()(2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。
()答案(1)√(2)√三、光电效应1.光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子吸收光的能量而逸出金属表面的现象。
2.光电子：光电效应中发射出来的电子。
3.光电效应的四个特征(1)发生条件：对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应。
(2)光电流的大小：由光强决定，光强愈大，光电流愈大。
(3)光电子的最大初动能：与入射光的频率成线性关系。
(4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9s。
思考判断(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)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。
()答案(1)×(2)×(3)√四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程1.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，这些能量子被称为光子。
2.爱因斯坦的光电效应方程 (1)表达式：hν＝12m v 2＋A 。
(2)物理意义：金属板内的电子从入射光中吸收一个光子的能量hν之后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需做的功A ，叫逸出功；另一部分转换为光电子的动能12m v 2。
3.截止频率：当最大初动能等于零时，金属表面不再有光电子逸出，这时入射光的频率就是截止频率ν0＝A h 。
思考判断(1)“光子”就是“光电子”的简称。
( )(2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。
( )(3)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。
( )答案 (1)× (2)× (3)√黑体辐射的规律[要点归纳]1.一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、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电磁波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 大值向波长较短的方向移动。
[精典示例][例1] (多选)黑体辐射的实验规律如图1所示，由图可知(),图1)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题图可知，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。
答案ACD[针对训练1] 关于对黑体的认识，下列说法正确的是()A.黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体答案 C能量子的理解和计算[要点归纳]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.能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常数，ν是电磁波的频率。
[精典示例][例2] 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。
普朗克常数为6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()A.2.3×10－18 WB.3.8×10－19 WC.7.0×10－10 WD.1.2×10－18 W解析因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。
所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝Et ，式中E＝6ε，又ε＝hν＝h cλ，可解得P＝6×6.63×10－34×3×108530×10－9W≈2.3×10－18 W。
答案 A[针对训练2] (多选)对于带电微粒的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.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解析带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或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。
答案ABD光电效应现象及其特征[要点归纳]1.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ε＝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。
2.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。
3.发生光电效应时，产生的光电子数与入射光的频率无关，与入射光的强度有关。
4.光电效应与光的电磁理论的矛盾按光的电磁理论，应有：(1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关。
(2)不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电效应。
(3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10－9 s。
特别提醒(1)发生光电效应时，饱和光电流与入射光的强度有关。
(2)遏止电压只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。
[精典示例][例3] 用如图2所示的光电管研究光电效应的实验中，用某种频率的单色光a 照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转。
而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，那么()图2A.a光的波长一定大于b光的波长B.增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转C.用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流是由d到cD.只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大解析因单色光b照射光电管的阴极K时，没有发生光电效应，故有νa>νb，由ν可知，λa<λb，选项A错误；因电子的运动方向由K极到A极，故通过G的电＝cλ流方向为由c到d，选项C错误；只增加a光的强度，从K极发出的电子数增加，故通过电流表G的电流增大，选项D正确；电流表G的指针是否偏转与b光的强度大小无关，选项B错误。
答案 D[针对训练3] (多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。
下列说法正确的是()A.保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B.入射光的频率变高，饱和光电流变大C.入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D.遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关解析保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出光电子变多，饱和光电流变大，选项A正确；据爱因斯坦光电效应方程12＝hν－A可知，入2m v射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，饱和光电流不变，选项B错误，C 正确；由12＝eU遏可知遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强2m v无关，选项D正确。
答案ACD[针对训练4] (多选)如图3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()图3A.入射光太弱B.入射光波长太长C.光照时间太短D.电源正、负极接反解析金属存在截止频率，超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出。
射出的光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，也不会有光电流。
入射光的频率低于截止频率，不能产生光电效应，与光照强弱无关，选项B正确，A错误；电路中电源正、负极接反，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；光电效应的产生与光照时间无关，选项C错误。
答案BD光电效应方程的理解与应用[要点归纳]1.光电效应方程实质上是能量守恒方程(1)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力做功，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A，则电子离开金属表面时动能最大为E k，根据能量守恒定律可知：E k＝hν－A。
2.光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索(2)两个关系光强―→光子数目多―→发射光电子多―→光电流大；光子频率高―→光子能量大―→产生光电子的最大初动能大。
3.光电效应图线的理解和应用(1)E k－ν图线：如图4甲所示是光电子最大初动能E k随入射光频率ν的变化图线。
这里，横轴上的截距是阴极金属的截止频率；纵轴上的截距是阴极金属的逸出功的负值；斜率为普朗克常数(E k＝12m v2＝hν－A，E k是ν的一次函数，不是正比函数)。
