高中物理：光电效应知识点总结
一、光电效应
1、光电效应
如图17－2－1所示，用弧光灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，即锌板也带正电这说明锌板在光的照射下发射出了电子。
（1）定义：在光的照射下物体发射出电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。
（2）研究光电效应的实验装置（如图17－2－2所示）阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子，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。
2、光电效应的规律
（1）光电效应的实验结果
首先在入射光的强度与频率不变的情况下，I－U的实验曲线如图17－2－3所示，曲线表明，当加速电压U增加到一定值时，光电流达到饱和值Im。这是因为单位时间内从阴极K射出的光电子全部到达阳极A，若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n，则饱和电流Im=ne式中e为电子电荷量，另一方面，当电压U减小到零，并开始反向时，光电流并没降为零，这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能，所以尽管有电场阻碍它运动，仍有部分光电子到达阳极A，但是当反向电压等于－Uc时，就能阻止所有的光电子飞向阳极A，使光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A，如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能根据遏止电压－Uc来确定电子的最大速度vm和最大动能，即
在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时，得到的I－U曲线如图17－2－4所示，它显示出对于不同强度的光，Uc是相同的，这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的。
此外，用不同频率的光去照射阴极K时，实验结果是：频率愈高，Uc愈大，如图17－2－5，并且
与Uc成线性关系，如图17－2－6。频率低于ν0的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此，ν0称为截止频率，对于不同的材料，截止频率不同。
（2）光电效应的实验规律
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17－2－4）。
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17－2－4，图中I01、I02、I03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17－2－5）。
③频率低于ν0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。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（＜10－9s）观察不出
这两者间存在滞后现象。
3、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）光电效应与光的电磁理论的矛盾。
矛盾之一：光的能量与频率有关，而不像波动理论中应由振幅决定，按光的波动理论，不论光的频率如何，只要照射时间足够长或光的强度足够大就可以产生光电效应，但实验结果表明：产生光电效应的条件却是入射光频率大于某一极限频率，且光电效应的最大初动能与入射光频率成线性关系，均与光强度无关。根据能量的观点，电子要从物体中飞出，必须使之具有一定的能量，而这一能量只能来源于照射光，为什么实验表明发射电子的能量与照射光的光强度无关，而与光的频率有关？这个问题曾使物理界大为困惑，使经典的光的波动理论面临挑战。
矛盾之二：光电效应产生的时间极短，电子吸收光的能量是瞬时完成的，而不像波动理论所预计的那样可能逐渐积累。
当一束很细的光照射到物体上时，它的能量将分布到大量的原子上，怎么可能在极短时间内把足够的能量集中到电子上而使之从物体中飞出。
二、爱因斯坦光电效应方程
1、光子说
（1）光子说：光是不连续的，而是一份一份的，每一份光叫一个光子，一个光子的能量
，ν为光的频率。
（2）光子说的重要意义
①光子说能很好地解释光电效应。
②光由大量的微粒即光子构成，光确实具有粒子性。
2、光电效应方程
爱因斯坦认为，一个入射光子的能量只能被一个电子获得，这个电子能否从金属中逸出，取决于两个因素：一是电子获得了多少能量，即入射光子的能量有多大；二是金属对逸出电子的束缚导致电子逸出时消耗了多少能量，光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少，因而有最大初动能。
（1）最大初动能：发生光电效应时，电子克服金属原子核的引力逸出时，具有的动能大小不同，金属表面上的电子吸收光子后逸出时动能的值最大，称为最大初动能，用Ek表示。
（2）光电效应方程：根据能量守恒定律，光电子的最大初动能Ek跟入射光子的能量hν和逸出功W的关系为
或表示为
这个方程又称爱因斯坦光电效应方程。
3、光子说对光电效应规律的解释
（1）由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为，如果光的频率低于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应。
（2）而当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩下的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ekm=
为金属的逸出功，可见光的频率越高，电子的初动能越大。
（3）电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间即挣脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的。
（4）发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多。
三、康普顿效应
1、光的散射
光在介质中与物质微粒相互作用，光的传播方向发生改变的现象叫做光的散射。
2、康普顿效应
在散射线中，除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线，人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应（Compton effect）。
3、光子说对康普顿效应的解释
假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似，按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量E=hν，而且还有动量，如图17－2－7所示，这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由hν减小为hν＇，因此频率减小，波长增大，同时，光子还使电子获得一定的动量，这样就圆满地解释了康普顿效应。
图17—2—7
4、光子的动量为：