光电效应及其规律

专题12 光电效应原子核一、光电效应及其规律1.光电效应的产生条件入射光的频率大于等于金属的截止频率。

2.光电效应规律(1)每种金属都有一个截止频率,入射光的频率必须大于等于这个截止频率才能产生光电效应。

(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光频率的增大而增大。

(3)光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s。

(4)当入射光的频率大于等于截止频率时,饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。

3.爱因斯坦光电效应方程(1)光子说:光的能量不是连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子,光子的能量ε=hν。

(2)逸出功W0:电子从金属中逸出所需做功的最小值。

(3)最大初动能:发生光电效应时,金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。

(4)光电效应方程①表达式:hν=E k+W0或E k=hν-W0。

②物理意义:在光电效应中,金属表面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最大初动能。

二、光谱和能级跃迁1.氢原子光谱(1)光谱:用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。

(2)光谱分类(3)光谱分析:利用每种原子都有自己的特征谱线可以鉴别物质和确定物质的组成成分,且灵敏度很高。

在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。

2.氢原子的能级结构、能级公式(1)玻尔理论①定态:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。

②跃迁:电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时,会放出能量为hν的光子,这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定,即hν=E m-E n(h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s)。

③轨道:原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。

原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道也是不连续的。

一．对光电效应实验规律，方程以及图像的考查1.光电效应现象光电效应：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做.2.光电效应规律(1)每种金属都有一个.(2)光子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大.(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是的.(4)光电流的强度与入射光的成正比.(1)光子说：空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子.光子的能量为ε＝hν，其中h是普朗克常量，其值为6.63×10－34 J·s.(2)光电效应方程：.其中hν为入射光的能量，E k为光电子的最大初动能，W0是金属的逸出功.4.遏止电压与截止频率(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U c.(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率).不同的金属对应着不同的极限频率.(3)逸出功：电子从金属中逸出所需做功的，叫做该金属的逸出功.1.1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文，其中关于光量子的理论成功的解释了光电效应现象.关于光电效应，下列说法正确的是（AD ）A.当入射光的频率低于极限频率时，不能发生光电效应B.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比C.光电子的最大初动能与入射光的强度成正比D.某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应2.用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度则A.逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变B.逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小C.逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小D.光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了3.关于光电效应的规律，下列说法中正确的是(D)A.只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生B.光电子的最大初动能跟入射光强度成正比C.发生光电效应的反应时间一般都大于10－7 sD.发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比4.如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5).由图可知(AC)A.该金属的截止频率为4.27×1014 HzB.该金属的截止频率为5.5×1014 HzC.该图线的斜率表示普朗克常量D.该金属的逸出功为0.5 eV5.在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为______.若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为______.已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h.答案hcλ0hc(λ0－λ)eλ0λ6.小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图4甲所示.已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，结果保留三位有效数字.(1)图甲中电极A为光电管的______(填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压U c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E k＝________J.答案：(1)阳极(2)5.15×1014(5.10×1014～5.20×1014均可) 3.41×10－19(3.38×10－19～3.45×10－19均可)(3)1.23×10－19(1.19×10－19～1.26×10－19均可)7. 研究光电效应的电路如图5所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流.下列光电流I 与A、K之间的电压U AK的关系图象中，正确的是___C_____.8.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9. 以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个 光子而从金属表面逸出.强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属， 由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实.光电效应实验装置示意图如图7所示.用频率为ν的普通光源照射阴极K ，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K ，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U ，即将阴极K 接电源正极，阳极A 接电源负极，在K 、A 之间就形成了使光电子减速的电场.逐渐增大U ，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W 为逸出功，h 为普朗克常量，e 为电子电量)( B )A.U ＝hνe －W eB.U ＝2hνe －W eC.U ＝2hν－WD.U ＝5hν2e －W e10. 如图8所示，用a 、b 两种不同频率的光分别照射同一金属板，发现当a 光照射时验电器的指针偏转，b 光照射时指针未偏转，以下说法正确的是( D )A.增大a 光的强度，验电器的指针偏角一定减小B.a 光照射金属板时验电器的金属小球带负电C.a 光在真空中的速度大于b 光在真空中的速度D.a 光在真空中的波长小于b 光在真空中的波长11.如图所示的实验电路，当用黄光照射光电管中的金属涂层时，毫安表的指针发生了偏转.若将电路中的滑动变阻器的滑片P 向右移动到某一位置时，毫安表的读 数恰好减小到零，此时电压表读数为U .若此时增加黄光照射的强度，则毫安________(选填“有”或“无”)示数.若改用蓝光照射光电管中的金属涂层，则毫安 表________(选填“有”或“无”)示数.答案 无 有12.光电效应实验中，下列表述正确的是( CD )A.光照时间越长光电流越大B.入射光足够强就可以有光电流C.遏止电压与入射光的频率有关D.入射光频率大于极限频率时才能产生光电子13.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14.入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，下列说法中正确的是( D )A.有可能不发生光电效应B.从光照射到金属表面上至发射出光电子之间的时间间隔将明显增加C.逸出的光电子的最大初动能将减小D.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少15.对光电效应的理解正确的是 ( BD )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.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C.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D.由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属发生光电效应，入射光的最低频率也不同16.如图1是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能E k 与入射光频率ν的关系图象.由图象可知( ABC )A.该金属的逸出功等于EB.该金属的逸出功等于hνcC.入射光的频率为2νc 时，产生的光电子的最大初动能为ED.入射光的频率为νc 2时，产生的光电子的最大初动能为E 217.用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子的最大初动能E k 随入射光频率ν变化的E k —ν图象.已知钨的逸出功是3.28 eV ，锌的逸出功是3.34 eV ，若将二者的图线画在同一个坐标图中，以实线表示钨，虚线表示锌，如图所示，则正确反映这一过程的图象是 ( A )18.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图2所示，则可判断出( B )A.甲光的频率大于乙光的频率B.乙光的波长大于丙光的波长C.乙光的频率大于丙光的频率D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能19.如图3所示是光电管的原理图，已知当有波长为λ0的光照到阴极K上时，电路中有光电流，则( B )A.若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流B.若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K时，电路中一定有光电流C.增加电路中电源电压，电路中光电流一定增大D.若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生12.2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发明了电荷耦合器件(CCD)图象传感器.他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理.如图4所示电路可研究光电效应规律.图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极.理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来指示光电管两端的电压.现接通电源，用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，电流计中有示数；若将滑动变阻器的滑片P 缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0 V；现保持滑片P位置不变，光电管阴极材料的逸出功为______，若增大入射光的强度，电流计的读数______(选填“为零”或“不为零”).答案 4.5 eV为零13.现有a、b两种单色光，其波长关系为λa>λb，用a光照射某种金属时，恰好发生光电效应.则：(1)用b光照射该金属时，________发生光电效应；(填“能”或“不能”)(2)增加a光的强度，释放出光电子的最大初动能________增大.(填“会”或“不会”)答案(1)能(2)不会二、光的波粒二象性，物质波光既具有波动性，又具有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：(1)个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性.(2)频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，而贯穿本领越强.(3)光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时，往往表现为粒子性.1、关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是(D)A.不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性B.运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道C.波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的D.实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性2.用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图3所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片.这些照片说明(D)A.光只有粒子性没有波动性B.光只有波动性没有粒子性C.少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性D.少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性3.下列说法正确的是(C)A.有的光是波，有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D.γ射线具有显著的粒子性，而不具有波动性4.物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度.使光子只能一个一个地通过狭缝.实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹.对这个实验结果下列认识正确的是(BCD)A.曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点B.单个光子的运动没有确定的规律C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D.只有大量光子的行为才表现出波动性。

第2节光电效应【知识梳理与方法突破】一、光电效应及其实验规律1.光电效应中的几组概念的理解两组对比概念说明光子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，光电子是果光电子的初动能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光子的能量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，入射光的强度等于单位时间照射到金属表面单位面积上内光子能量与入射光子数的乘积光电流饱和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，光电流增大，但光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和电流，在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关光的强度饱和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，饱和电流与入射光强度之间没有简单的正比关系2.光电效应的实验规律（1）发生光电效应时，入射光越强，饱和电流越大，即入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

（2）光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关。

入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大，但最大初动能与频率不成正比。

（3）每一种金属都有一个截止频率（或极限频率）νc，入射光的频率必须大于νc 才能发生光电效应。

频率低于νc的入射光，无论光的强度有多大，照射时间有多长，都不能发生光电效应。

不同金属的截止频率不同。

光电效应的规律及几个相关概念分析光电效应是指当光照射在金属表面时，会引起金属中的自由电子被光能量激发出来的现象。

光电效应的规律是由爱因斯坦于1905年提出的，并且为后来的量子力学奠定了基础。

下面将对光电效应的规律以及几个相关概念进行分析。

1.光电效应的规律：（1）光电效应只有当光的频率大于等于金属的阈值频率时才会发生。

阈值频率是指能使光电效应发生的最低频率。

（2）光电效应引起的光电子释放是瞬时的，即电子在光照射之后立即被激发出来。

（3）光电效应释放的电子的能量与光的频率成正比，而与光的强度无关。

即光的强度增加只会增加光电子的数量，而不会增加其能量。

2.相关概念分析：（1）阈值频率：阈值频率是指能使光电效应发生的最低频率。

当光的频率大于等于阈值频率时，金属才会发生光电效应。

阈值频率与金属的性质有关，不同金属的阈值频率不同。

（2）逸出功：逸出功是指将电子从金属内部逼出所需的最小能量。

逸出功决定了金属对光电效应的敏感度，逸出功越大，金属对光电效应越不敏感。

（3）光电流：光电效应产生的电流被称为光电流。

光电流与光的强度和频率有关，但与光的波长无关。

光的强度增加可以增加光电子的数量，从而增加光电流的大小。

（4）光电子：光电效应释放的电子被称为光电子。

光电子的能量与光的频率成正比，而与光的强度无关。

（5）动能定理：光电效应中，光电子释放后具有的动能可以通过动能定理计算。

动能定理表示光电子的动能等于光子的能量减去逸出功。

光电效应是量子力学的早期重要实验现象，在理论和实际应用上都具有重要意义。

爱因斯坦通过光电效应的规律的解释，提出了光的粒子性，即光的微粒被称为光子。

这一概念为后来的量子力学的发展做出了贡献。

光电效应的研究也在实际应用中有着广泛的应用，例如太阳能电池和光电探测器等。

总而言之，光电效应是光与物质相互作用的重要现象之一、光电效应的规律和相关概念的分析有助于我们对光电效应的理解和应用。