A-Level物理篇:Photoelectric Effect光电效应

A-Level物理学科中的一个重要考点:Photoelectric Effect光电效应

人类对于光的本性的探索从未停止过,从最开始的牛顿认为光是一种微粒,到胡克和惠根斯认为光是一种波动。再到托马斯·杨和菲涅尔正式的光的波动说,以及麦克斯韦提出的电磁学理论。很多科学家都认为掌握了光的本性是一种电磁波,但是到了20世纪人们通过光电效应明确了波粒二象性,证明了光是具有波和粒子的性质。

在1887年,赫兹在证明麦克斯韦方程的各项试验中发现了一个现象。

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假如有一个金属板,当光照射金属板时,金属板的电子会被撞飞出来。当时的人们,包括赫兹自己,都无法完美的解释这个实验现象和其中存在的变量问题。例如:光亮度的大小并不会影响实验的结果;光的频率越大,电子动能越大。

直到1905年,爱因斯坦连续发表了三篇论文,其中一篇就是关于光电效应。爱因斯坦在论文中,首先借鉴了德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出的概念:振动带电粒子的能量是量子化(quantisation),也就是说能量是一份一份而不是连续性的。爱因斯坦认为,不仅振动带电粒子是这样的,光的能量也是一份一份的,那么每一份的能量就被称为了光子(photon)。

光子能量(photon energy)=h(Plank constant)*f(frequency),其中h是由普朗克提出的普朗克常数;

而光强是由光子个数决定的。

光强越大,光越亮,光子个数越多。 同时爱因斯坦还提出了多个概念用来解释光电效应:

1、一个电子只能接收一个光子的能量。如果光子能量足够,电子会以Vmax飞出,产生动能Ek;如果光子能量不足,电子不会储存能量(事实上能量会在10^-9s内消散)。

2、得到足够能量飞出的电子被称为光电子(photoelectron)。

3、逸出功(work function):当金属板中的电子为了克服金属板正电荷的吸引力所做的功。Symbol:Φ。

4、阈值频率(threshold frequency):由于光能量由频率决定,那么能让光电效应发生的最小光频率就是阈值频率。

综上所述,我们可以得到一个关于光电效应的公式Ek=hf-Φ

即1/2mv^2=hf-Φ

为什么说光电效应很重要?因为这个内容也频繁出现历年考题中,以下就是一道真题,我们可以一起来看一下原题和答案。

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该题需要解释实验现象,其得分点如下:

1. Only one photon can transfer energy to a single electron

2. Photon energy depends on frequency

3. Photons must have frequency greater than work function

4. Light with a greater intensity supplies more photons per second

5. More electron can be emitted per second causing a greater current

在爱因斯坦提出这个理论后,美国物理学家密立根反对爱因斯坦的说法,他想通过实验证明爱因斯坦是错误的。该实验就是书上说的photoelectric cell experiment,实验通过控制停止电压(stopping voltage),绘制电子动能和光频率的图像,通过图像计算出h的数值并进行比较,最后发现测量值符合普朗克常数,该实验反而证明了爱因斯坦是正确的。

值得一提的是,由于光电效应明确了光的波粒二象性,并为后人开拓了思维:例如德布罗意提出物质波理论(本质是电子的波粒二象性)就是受到了光的波粒二象性的启发。爱因斯坦于1922年获得了诺贝尔物理学奖,而密立根因为证明了光电效应,在1923年获得了诺贝尔物理学奖。

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