第2节 光电效应知识点归纳 知识点一、光电效应 1．光电效应：在光的照射下物体发射电子的现象，发射出来的电子叫做光电子． 2．光电效应的实验规律 (1)存在着饱和电流．(2)存在着遏止电压和截止频率．(3)光电效应具有瞬时性． 知识点二、光电效应的实验规律 (1)光电效应现象：19世纪末赫兹用实验验证了麦克斯韦的电磁场理论，明确了光的电磁说，同时赫兹也最早发现了光电效应现象。 如图所示，用弧光灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，这说明锌板在光的照射下发射了电子。
(2)光电效应的实验规律 可以用如图所示电路研究光电效应中光电流与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在光照射时能够发射电子。电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调。当电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发出的电子，在电路中形成光电流。
(1)饱和电流Im的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比(见图甲)．
(2)光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光线的强度无关(见图甲，图中Io1、Io2、Io3表示入射光强度)，而只与入射光的频率有关．频率越高，光电子的初动能就越大(见图乙)． (3)频率低于νc的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出(见图丙)． (4)光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内(<10－9 s)观察不出这两者间存在滞后现象． 知识点三、爱因斯坦的光电效应方程 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，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν. 2．光电效应方程 (1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0. (2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek. 知识点四、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。用W0表示，不同金属的逸出功不同。 2．截止频率νc
方程Ek＝hν－W0表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν存在线性关系(如图所示)，与光强有关。图中横轴上的截距是截止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量。 知识点五、康普顿效应和光子的动量 1．光的散射：光在介质中与物体微粒的相互使用，使光的传播方向发生改变的现象． 2．康普顿效应：在光的散射中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长更长的成分． 3．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面． 4．光子的动量 (1)表达式：p＝. (2)说明：在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因此有些光子散射后波长变长． 知识点六、光的波粒二象性 光既具有波动性，又具有粒子性，光具有波粒二象性。
典例分析 一、光电效应规律
A．当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大 B．当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，产生的光电子数越多 C．同一频率的光照射不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大 D．对某金属，入射光波长必须等于小于某一极限波长，才能产生光电效应 解析 由光电效应规律知，对于某种金属，其逸出功是一个定值，当照射光的频率一定时，光子的能量是一定的，产生的光电子的最大初动能也是一定的，若提高照射光的频率，则产生的光电子最大初动能也将增大，要想使某种金属发生光电效应，必须使照射光的频率大于其极限频率ν0，因刚好发生光电效应时，光电子的初动能为零，有hν0＝W。 所以ν0＝，又ν0＝，若照射光频率ν≥ν0，即λ≤λ0＝时能发生光电效应，A、D选项正确；同一频率的光照射到不同金属上时，因各种金属的逸出功不相同，产生的光电子的最大初动能也不相同，逸出功越小，电子摆脱金属的束缚也越容易，电子脱离金属表面时的初动能越大，B选项错误； 若照射光的频率不变，对于特定的金属，增加光强，不会增加光电子的最大初动能，因频率不变时，入射光的光子能量不变，但由于光强的增加，入射光的光子数目增加，因而产生的光电子数目也随之增加，B选项正确。 答案 ABD 二、爱因斯坦光电效应方程的应用
A．5.3×1034Hz,2.2J B．5.3×1014Hz,4.4×10－19J C．3.3×1033Hz,2.2J D．3.3×1033Hz,4.4×10－19J 解析 由W＝hν0得，极限频率ν0＝＝Hz＝5.3×1014Hz。 由光电效应方程Ek＝hν－W得，光电子的最大初动能 Ek＝h－W＝J－2.21×1.6×10－19J＝4.4×10－19J 故B选项正确。 答案 B 归纳总结：(1)每种金属都有一个极限频率， 不同金属极限频率不同。 (2)入射光频率必须大于金属的极限频率，才能发生光电效应。 (3)金属的逸出功、极限频率、极限波长的关系是：W＝hν0＝。 自我检测 1．当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时( ) A．锌板带负电 B．有正离子从锌板逸出
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，A、B、D错误． 答案 C 2．对光电效应的理解正确的是( ) 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要做的最小功，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，因此使不同金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同 解析 根据爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光照强度无关，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；电子从金属表面逸出时所做的功应大于克服原子核的引力而需要做的功的最小值．综上所述，选项B、D正确． 答案 BD 3．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，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图象．已知钨的逸出功是3.28 eV，锌的逸出功是3.24 eV，若将二者的图线画在同一个Ek－ν坐标图中，用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的图是( )
解析 依据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν图线的斜率代表了普朗克常量h，因此钨和锌的Ek－ν图线应该平行．图线的横截距代表了极限频率νc，而νc＝，因此钨的νc大些．故正确答案为B. 答案 B 4．分别用波长为λ和λ的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为1∶2，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为( ) A. B. C. D. 解析 根据光电效应方程得 Ek1＝h－W0 ① Ek2＝h－W0 ② 又Ek2＝2Ek1 ③ 联立①②③得W0＝，A正确． 答案 A 5．在如图所示的光电管的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时，不发生光电效应，那么( )
A．A光的频率大于B光的频率 B．B光的频率大于A光的频率 C．用A光照射光电管时，流过电流表G的电流方向是a流向b D．用A光照射光电管时，流过电流表G的电流方向是b流向a 解析 由发生光电效应的条件可知，A单色光的频率大于B单色光的频率，A正确，B错误；A单色光照射光电管的阴极K时，从阴极K逸出电子，这些电子冲向阳极，在整个电路中形成顺时针电流，故流过电流表G的电流方向是a流向b，C正确，D错误。 答案 AC 6．现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa>λb>λc，用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应。若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定( ) A．a光束照射时，不能发生光电效应 B．c光束照射时，不能发生光电效应 C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多 D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最大 解析 波长关系为λa>λb>λc，则νa<νb<νc。b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应，根据发生光电效应的条件，a光照射不能发生光电效应，c光照射能发生光电效应，所以A正确，B、C错误。根据光电效应方程：Ekm＝h－W0，知c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最大，所以D正确。 答案 AD 7．已知钙的逸出功是3.20 eV，对此理解正确的是( ) A．钙中的电子脱离钙需做功3.20 eV B．钙表面的电子脱离钙需做功超过3.20 eV C．钙只需吸收3.20 eV的能量就有电子逸出 D．入射光子的能量必须大于3.20 eV才能发生光电效应 解析 钙的逸出功为3.20 eV，知电子逸出克服金属钙所做的最小的功为3.20 eV，金属内部的电子需要更多能量才能脱离表面。故A、C错误，B、D正确。 答案 BD 8．某种单色光的频率为ν，用它照射某种金属时，在逸出的光电子中动能最大值为Ek，则这种金属的逸出功和极限频率分别为( ) A．hν－Ek，ν－ B．Ek－hν，ν＋ C．hν＋Ek，ν－ D．Ek＋hν，ν＋ 解析 根据爱因斯坦的光电效应方程，Ek＝hν－W0(W0为逸出功)，所以W0＝hν－Ek；极限频率νc＝＝＝ν－，故A项正确。 答案 A 9．下表给出了一些金属材料的逸出功。
现用波长为400 nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s)( ) A．1种 B．3种 C．4种 D．5种 解析 由ε＝hν及c＝λν得ε＝h，故波长为400 nm的单色光光子的能量为ε＝6.63×10－34× J≈4.97×10－19 J，当入射光光子的能量大于金属的逸出功时，才能发生光电效应，因入射光光子的能量只大于铯的逸出功，故能产生光电效应的材料有1种，A正确。 答案 A 10．用频率为ν的光照射某金属表面时，逸出的光电子最大初动能为Ek，若改用频率为3ν的光照射该金属时，则逸出光电子的最大初动能为( ) A．3hν B．3Ek C．3hν－Ek D．2hν＋Ek 解析 由光电效应方程可知Ek＝hν－W0，Ek′＝h·3ν－W0，所以Ek′＝2hν＋Ek。 答案 D 11．如图甲所示，合上开关，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零。把电路改为图乙所示，当电压表读数为2 V时，电子到达阳极时的最大动能为( )
A．0.6 eV B．1.9 eV C．2.6 eV D．4.5 eV 解析 图甲所加电压为反向电压，当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为0，说明光电子的最大初动能为Ek＝0.6 eV，图乙所加电压为正向电压，故电子到达阳极时，最大动能为Ek′＝Ek＋2eV＝2.6 eV，C正确。 答案 C |
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