A-level物理丨光電效應(yīng)和光的波粒二象性

Category: A-level課程, 國際課程 Date: 2018年4月13日下午6:16

光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲與1887年發(fā)現(xiàn)，它是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光激發(fā)出來。

那個(gè)時(shí)代的科學(xué)家都認(rèn)為光是一種波，是能連續(xù)地傳遞能量的。而光電效應(yīng)有幾個(gè)比較奇怪的現(xiàn)象卻是波的理論不能解釋清楚的。一是光波長小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長，對(duì)應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強(qiáng)度無關(guān)，這一點(diǎn)無法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。可事實(shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過十的負(fù)九次方秒。

正確的解釋由愛因斯坦提出，光必定是由與波長有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。光束里的光子所擁有的能量與光的頻率成正比。假若金屬里的自由電子吸收了一個(gè)光子的能量，而這能量大于或等于某個(gè)與金屬相關(guān)的能量閾（閥）值（稱為這種金屬的逸出功），則此電子因?yàn)閾碛辛俗銐虻哪芰浚瑫?huì)從金屬中逃逸出來，成為光電子；若能量不足，則電子會(huì)釋出能量，能量重新成為光子離開，電子能量恢復(fù)到吸收之前，無法逃逸離開金屬。增加光束的輻照度會(huì)增加光束里光子的“密度” ，在同一段時(shí)間內(nèi)激發(fā)更多的電子，但不會(huì)使得每一個(gè)受激發(fā)的電子因吸收更多的光子而獲得更多的能量。換言之，光電子的能量與輻照度無關(guān)，只與光子的能量、頻率有關(guān)。

做一個(gè)簡單的比喻，照在我們身上的光不是像水管噴出的水噴在身上是一個(gè)連續(xù)的過程，而是像一個(gè)個(gè)以光子為單位的蛋糕砸向我們，并與我們身上的分子碰撞發(fā)生互動(dòng)。在A-level物理的學(xué)習(xí)中，光電效應(yīng)是非常重要的一塊知識(shí)，幾乎次考試中都有光電效應(yīng)的題。一般來說，問答題題會(huì)讓學(xué)生描述光電效應(yīng)，以及解釋為什么從波的角度無法解釋這種現(xiàn)象和為什么從粒子的角度又可以解釋這種現(xiàn)象。而計(jì)算題則會(huì)考察光子能量的計(jì)算，以及愛因斯坦光電效應(yīng)公式的應(yīng)用。

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