A-Level課程物理考點講解及真題解析！

今天給大家梳理A-Level課程物理學科中的一個重要考點：Photoelectric Effect光電效應。

人類對于光的本性的探索從未停止過，從最開始的牛頓認為光是一種微粒，到胡克和惠根斯認為光是一種波動。再到托馬斯·楊和菲涅爾正式的光的波動說，以及麥克斯韋提出的電磁學理論。很多科學家都認為掌握了光的本性是一種電磁波，但是到了20世紀人們通過光電效應明確了波粒二象性，證明了光是具有波和粒子的性質。

在1887年，赫茲在證明麥克斯韋方程的各項試驗中發現了一個現象。

假如有一個金屬板，當光照射金屬板時，金屬板的電子會被撞飛出來。當時的人們，包括赫茲自己，都無法完美的解釋這個實驗現象和其中存在的變量問題。例如：光亮度的大小并不會影響實驗的結果；光的頻率越大，電子動能越大。

直到1905年，愛因斯坦連續發表了三篇論文，其中一篇就是關于光電效應。愛因斯坦在論文中，首先借鑒了德國物理學家普朗克在研究黑體輻射時提出的概念：振動帶電粒子的能量是量子化（quantisation），也就是說能量是一份一份而不是連續性的。愛因斯坦認為，不僅振動帶電粒子是這樣的，光的能量也是一份一份的，那么每一份的能量就被稱為了光子(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數；而光強是由光子個數決定的。

光強越大，光越亮，光子個數越多。 同時愛因斯坦還提出了多個概念用來解釋光電效應：

1、一個電子只能接收一個光子的能量。如果光子能量足夠，電子會以Vmax飛出，產生動能Ek；如果光子能量不足，電子不會儲存能量（事實上能量會在10^-9s內消散）。

2、得到足夠能量飛出的電子被稱為光電子（photoelectron）。

3、逸出功（work function）：當金屬板中的電子為了克服金屬板正電荷的吸引力所做的功。Symbol：Φ。

4、閾值頻率（threshold frequency）：由于光能量由頻率決定，那么能讓光電效應發生的最小光頻率就是閾值頻率。

綜上所述，我們可以得到一個關于光電效應的公式Ek=hf-Φ；即1/2mv^2=hf-Φ

為什么說光電效應很重要？因為這個內容也頻繁出現歷年考題中，以下就是一道真題，我們可以一起來看一下真題和答案。

該題需要解釋實驗現象，其得分點如下：

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

在愛因斯坦提出這個理論后，美國物理學家密立根反對愛因斯坦的說法，他想通過實驗證明愛因斯坦是錯誤的。該實驗就是書上說的photoelectric cell experiment，實驗通過控制停止電壓（stopping voltage），繪制電子動能和光頻率的圖像，通過圖像計算出h的數值并進行比較，最后發現測量值符合普朗克常數，該實驗反而證明了愛因斯坦是正確的。

值得一提的是，由于光電效應明確了光的波粒二象性，并為后人開拓了思維：例如德布羅意提出物質波理論（本質是電子的波粒二象性）就是受到了光的波粒二象性的啟發。愛因斯坦于1922年獲得了諾貝爾物理學獎，而密立根因為證明了光電效應，在1923年獲得了諾貝爾物理學獎。

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