08教案21量子论初步.docVIP

第二十一章 量子论初步 一、光电效应 光子 1．光电效应 ⑴在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应。右图装置中，用弧光灯照射锌板（弧光灯发出的光中含有紫外线），将有电子从锌板表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。发射出来的电子叫做光电子（区别于加热发出的热电子）。 ⑵光电效应的规律。研究发现，光电效应有以下规律： ①极限频率的存在。各种金属都存在极限频率ν0，只有ν≥ν0才能发生光电效应（与之对应的有极限波长λ0，只有λ≤λ0才能发生光电效应）； ②瞬时性。无论照射光强还是弱，只要超过极限频率，从光照射到有光电子产生，经历的时间不超过10-9s，几乎是瞬时的。 这两条规律都无法用光的波动性来解释。 2．光子说 ⑴普朗克的量子理论。普朗克在研究热辐射（电磁辐射的一种）时发现，只有认为电磁波的发射和接收不是连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才跟实验相符。普朗克把这一份一份的能量叫做一个能量子。普朗克还指出：每个能量子的能量等于hν，其中ν是电磁波的频率，h是一个常量，叫普朗克常量，h=6.63×10-34J(s。 ⑵爱因斯坦的光子说。光的波动说无法解释光电效应。考虑到光和热辐射一样，也是一种电磁波，于是爱因斯坦把普朗克的量子理论应用到光学研究中来，提出了光子说。 光子说的内容是：光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子。光子的能量E跟光的频率ν成正比：E=hν。（光子是以电磁波形式存在的一份能量，没有静止质量） 爱因斯坦利用光子说解释了光电效应。设每个光子只能被一个电子吸收（一个光子不能被多个电子分开吸收）；每个电子每次只能吸收一个光子（一个电子不能同时吸收多个光子）。 光电效应的物理过程如下：入射光照到金属上，有些光子被电子吸收，有些没有被电子吸收；吸收了光子的电子（a、b、c、e、g）动能增大，将向各个方向运动；有些电子射出金属表面成为光电子（b、c、g），有些没射出（a、e）；射出金属表面的电子克服金属中正电荷引力做的功也不相同；只有从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力做的功最少（g），飞出时动能最大。 如果入射光子的能量比这个功的最小值还小，那就不能发生光电效应。这就解释了极限频率的存在；由于光电效应是由一个光子被一个电子吸收引起的，因此从有光照射到有光电子飞出的时间与照射光的强度无关，几乎是瞬时的。这就解释了光电效应的瞬时性。 3．.爱因斯坦光电效应方程 Ek= hν-W（Ek是光电子的最大初动能；W是逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功，也就是使电子脱离某种金属所做功的最小值。）这个方程和能量守恒定律是完全一致的。 由于每个光电子从金属中飞出时，克服引力做的功不同，它们的初动能也不同。方程中的W是逸出功，不是每个电子克服引力做的功；方程中的Ek不是每个光电子的初动能，而是最大初动能。 从光电效应方程可以看出：极限频率和逸出功间的关系是：hν0=W。 能量单位可以用J，也可以用eV，1 eV=1.6×10-19J。 例1．对爱因斯坦光电效应方程Ek= hν-W，下面的理解正确的有 A．用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都具有同样的初动能 B．式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C．逸出功W和极限频率ν0之间应满足关系式W= hν0 D．光电子的最大初动能和入射光的频率成正比 解：本题选C。 例2．已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0， A．当用频率低于ν0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．在照射光的频率ν大于ν0的条件下，若ν增大，则逸出功W也随之增大 D．在照射光的频率ν大于ν0的条件下，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍 解：逸出功W和极限频率的关系是W= hν0，当入射光频率为2ν0时，根据光电效应方程，Ek= h(2ν0-W= hν0，因此B正确。逸出功是金属本身的性质，与入射光频率无关。光电子的最大初动能Ek=hν-W，是关于频率的一次函数，但不是正比例函数。本题只选B。 例3．如图，当电键S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为 A．1.9eV B．0.6eV C．2.5eV D．3.1eV 解：电流表读数刚好为零，说明刚好没有光电子能够到达阳极。根据动能定理，光电子的最大初动能