《C 光電效應(yīng) 光子說(shuō)》知識(shí)清單

《C光電效應(yīng)光子說(shuō)》知識(shí)清單一、光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)之旅1、赫茲的意外發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)末，赫茲在做電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，他用紫外線照射兩個(gè)電極之間的間隙。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在紫外線照射下，電極之間更容易產(chǎn)生電火花。這就像是在平靜的湖面上，突然來(lái)了一陣微風(fēng)（紫外線），讓本來(lái)難以泛起漣漪（產(chǎn)生電火花）的湖面變得活躍起來(lái)。這個(gè)意外的現(xiàn)象就是光電效應(yīng)的開(kāi)端。赫茲當(dāng)時(shí)可能并沒(méi)有完全意識(shí)到這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重大意義，就像我們有時(shí)候在生活中發(fā)現(xiàn)一些小奇怪的事情，比如手機(jī)有時(shí)候信號(hào)突然變好，但不知道是因?yàn)楦浇掳惭b了信號(hào)增強(qiáng)器一樣。2、光電效應(yīng)的基本概念定義：在光（包括不可見(jiàn)光）的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光就像一個(gè)調(diào)皮的小精靈，它一照到某些物體上，就能把物體里面的電子給趕出來(lái)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置：一般有一個(gè)金屬板（作為發(fā)射電子的陰極），還有一個(gè)陽(yáng)極，它們放在一個(gè)真空管里。當(dāng)光照射到金屬板上時(shí)，電子就會(huì)從金屬板飛出來(lái)，然后被陽(yáng)極收集。這就好比是在一個(gè)封閉的小房子（真空管）里，有一個(gè)裝滿小球（電子）的盒子（金屬板），一束神奇的光線射進(jìn)來(lái)，把小球都給彈了出來(lái)，然后旁邊還有一個(gè)小籃子（陽(yáng)極）等著接住這些彈出來(lái)的小球。二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1、存在截止頻率（極限頻率）對(duì)于某種金屬，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率時(shí)，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。這個(gè)頻率就叫做截止頻率（極限頻率）。就好像每種金屬都有一個(gè)門檻，光的頻率如果達(dá)不到這個(gè)門檻，就別想把電子從金屬里面趕出來(lái)。比如說(shuō)，金屬鈉的截止頻率和金屬鉀的截止頻率就不一樣。這就像不同的城堡（金屬）有不同高度的城墻（截止頻率），如果攻城的云梯（光的頻率）不夠長(zhǎng)（頻率不夠高），就攻不進(jìn)去（不能發(fā)生光電效應(yīng)）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不管光的強(qiáng)度有多強(qiáng)，如果頻率低于截止頻率，都不會(huì)有光電效應(yīng)。這就像不管你用多大的力氣去推一扇已經(jīng)鎖死的大門（光強(qiáng)好比推力，但頻率不夠就像鑰匙不對(duì)，門怎么也推不開(kāi)）。2、光電流與光強(qiáng)的關(guān)系當(dāng)入射光的頻率高于截止頻率時(shí)，光電流的大?。ㄒ簿褪潜悔s出來(lái)的電子形成的電流大?。┡c入射光的強(qiáng)度成正比。光強(qiáng)越大，就好像那束光里面的小精靈數(shù)量越多，能把更多的電子從金屬里趕出來(lái)，形成的電流也就越大?？梢韵胂蟪梢蝗盒∥浵仯娮樱?，光強(qiáng)越大就像有越多的小螞蟻被驚擾，然后朝著同一個(gè)方向（陽(yáng)極）跑，形成的隊(duì)伍（電流）就越龐大。但是，光電流有一個(gè)飽和值。這是因?yàn)楫?dāng)所有能被光照射到的電子都被趕出來(lái)后，即使再增加光強(qiáng)，也沒(méi)有更多的電子可以被趕出來(lái)了，就像一個(gè)盒子里只有10個(gè)小球（可被趕出來(lái)的電子），不管外面來(lái)多少個(gè)小槌子（光強(qiáng)增加），最多也只能打出10個(gè)小球，不會(huì)再多了。3、光電效應(yīng)的瞬時(shí)性光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。只要入射光的頻率高于截止頻率，一經(jīng)照射，幾乎立刻就有電子從金屬表面逸出。這速度快得就像閃電一樣，光一照，電子就“嗖”地一下跑出來(lái)了。比如說(shuō)，就像你按門鈴（光照射），門鈴幾乎馬上就響了（電子逸出），不會(huì)有延遲，不會(huì)說(shuō)你按了門鈴還得等個(gè)幾分鐘門鈴才響。三、經(jīng)典電磁理論的困境1、按照經(jīng)典理論的預(yù)期經(jīng)典電磁理論認(rèn)為，光的能量是由光的強(qiáng)度決定的。按照這個(gè)理論，只要光強(qiáng)足夠大，不管光的頻率多低，都應(yīng)該能發(fā)生光電效應(yīng)。就像只要力氣夠大（光強(qiáng)夠大），不管工具（光的頻率）合不合適，都應(yīng)該能把活干完（發(fā)生光電效應(yīng)）。而且，按照經(jīng)典理論，電子從金屬中逸出應(yīng)該是需要一定時(shí)間積累能量的，不應(yīng)該是瞬時(shí)的。就好比燒水，按照常規(guī)的想法，要把水燒開(kāi)得慢慢加熱，不可能一下子就燒開(kāi)了（電子瞬時(shí)逸出不符合經(jīng)典理論）。2、與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的矛盾可是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻和經(jīng)典電磁理論的預(yù)期完全相反。這就像你按照一本食譜（經(jīng)典電磁理論）做菜，結(jié)果做出來(lái)的菜完全不是食譜上說(shuō)的那個(gè)樣子（與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符），這時(shí)候你就知道這個(gè)食譜肯定有問(wèn)題了。這種矛盾說(shuō)明經(jīng)典電磁理論在解釋光電效應(yīng)上是有缺陷的，就像一件衣服破了個(gè)洞，不能完全遮住身體（不能完美解釋光電效應(yīng)）了。四、愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)1、光子說(shuō)的提出愛(ài)因斯坦為了解決經(jīng)典電磁理論在光電效應(yīng)解釋上的困境，提出了光子說(shuō)。他認(rèn)為光不是像經(jīng)典理論認(rèn)為的那樣是連續(xù)的波，而是由一個(gè)個(gè)不可分割的光子組成的。這就好比光不是像水流（連續(xù)的波）那樣，而是像一顆顆小珠子（光子）串起來(lái)的。光子的能量和光的頻率有關(guān)，光子的能量公式是：E＝hν，其中E是光子的能量，h是普朗克常量（這個(gè)常量就像一個(gè)固定的魔法數(shù)字），ν是光的頻率。這就像每個(gè)小珠子（光子）都有自己的能量值，這個(gè)能量值是由它的顏色（頻率）決定的，頻率越高，能量就越大，就像紅色的珠子（低頻率光子）能量小，藍(lán)色的珠子（高頻率光子）能量大。2、光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋關(guān)于截止頻率：當(dāng)光子的能量小于金屬的逸出功（把電子從金屬中拉出來(lái)需要做的功）時(shí)，就不能發(fā)生光電效應(yīng)。因?yàn)槊總€(gè)光子的能量是由頻率決定的，如果頻率太低，光子能量就不夠，就像小螞蟻力氣太?。ü庾幽芰啃。?，推不動(dòng)大石頭（電子克服逸出功）。只有當(dāng)光子能量足夠大，也就是光的頻率高于截止頻率時(shí)，才能發(fā)生光電效應(yīng)。光電流與光強(qiáng)的關(guān)系：光強(qiáng)越大，意味著光子的數(shù)量越多。因?yàn)槊總€(gè)光子都有可能打出一個(gè)電子，所以光強(qiáng)越大，被打出的電子就越多，光電流就越大。這就像人多力量大，來(lái)的小螞蟻（光子）越多，能推動(dòng)的小石頭（打出的電子）就越多。光電效應(yīng)的瞬時(shí)性：光子與電子是一對(duì)一相互作用的。當(dāng)光子的能量足夠時(shí)，它與電子一碰撞，就能把電子打出來(lái)，不需要時(shí)間積累能量，所以光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的。這就像一顆子彈（光子）擊中一個(gè)目標(biāo)（電子），只要子彈的力量夠大（光子能量夠），就會(huì)馬上把目標(biāo)打倒（電子逸出），不需要等子彈多打幾次或者等能量慢慢積累。五、逸出功1、逸出功的概念逸出功是指把電子從金屬表面逸出時(shí)克服金屬內(nèi)部引力所做的功。就像把一個(gè)小玩具從一個(gè)很深的盒子里拿出來(lái)，需要克服盒子對(duì)小玩具的吸引力，這個(gè)克服吸引力做的功就是逸出功。不同的金屬有不同的逸出功，就像不同的盒子對(duì)小玩具的吸引力大小不一樣。2、與光電效應(yīng)的關(guān)系光電效應(yīng)能否發(fā)生取決于光子的能量是否大于金屬的逸出功。如果光子能量大于逸出功，電子就能逸出；如果小于，就不能。這就像你要打開(kāi)一扇門，鑰匙（光子能量）必須能夠匹配門鎖（逸出功），匹配得上（光子能量大于逸出功）就能打開(kāi)門（發(fā)生光電效應(yīng)），匹配不上就不行。六、光子說(shuō)的驗(yàn)證1、密立根實(shí)驗(yàn)密立根做了一個(gè)很著名的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)。他通過(guò)精確測(cè)量不同頻率的光照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)，比如測(cè)量光電流、截止電壓等。他發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和愛(ài)因斯坦光子說(shuō)的理論計(jì)算結(jié)果非常吻合。這就像你按照一個(gè)新的建筑設(shè)計(jì)圖（光子說(shuō)）來(lái)蓋房子（做實(shí)驗(yàn)），最后蓋出來(lái)的房子（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）和設(shè)計(jì)圖預(yù)想的幾乎一模一樣，這就證明這個(gè)設(shè)計(jì)圖（光子說(shuō)）是正確的。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，利用公式：eU?＝hνW?（其中e是電子電荷量，U?是截止電壓，h是普朗克常量，ν是光的頻率，W?是逸出功）進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)公式就像一把神奇的鑰匙，可以把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和光子說(shuō)的理論聯(lián)系起來(lái)。如果這個(gè)公式在不同的實(shí)驗(yàn)條件下都成立，那就說(shuō)明光子說(shuō)是可靠的。就像一把鑰匙能打開(kāi)不同的鎖（在不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下都適用），那這把鑰匙肯定是對(duì)的（光子說(shuō)正確）。七、光電效應(yīng)的應(yīng)用1、光電管光電管是利用光電效應(yīng)制成的一種常見(jiàn)器件。它有一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極，當(dāng)光照射到陰極時(shí)，陰極就會(huì)發(fā)射電子，電子被陽(yáng)極收集，從而在電路中形成電流。光電管就像一個(gè)小小的光探測(cè)器，光一照它就能產(chǎn)生電流。比如在一些自動(dòng)控制裝置中，光電管可以用來(lái)檢測(cè)光線的有無(wú)。像在電梯門口，當(dāng)有人或者物體擋住了光線（光照射到光電管上的光線被遮擋），光電管的電流就會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化就會(huì)被檢測(cè)到，然后電梯門就不會(huì)關(guān)閉，這就是光電管在實(shí)際生活中的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用。2、太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池也是光電效應(yīng)的一個(gè)重要應(yīng)用。它是由很多半導(dǎo)體材料組成的。當(dāng)陽(yáng)光照射到這些半導(dǎo)體材料上時(shí)，就會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，然后這些電子和空穴在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。太陽(yáng)能電池就像一個(gè)小小的能量收集器，把太陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)化為電能。我們可以看到在很多地方，比如一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的家庭屋頂上，會(huì)安裝太陽(yáng)能電池板。這些太陽(yáng)能電池板在白天吸收太陽(yáng)光，把它轉(zhuǎn)化為電能，可以用來(lái)給家里的電器供電，像照明、看電視等，這就相當(dāng)于把免費(fèi)的太陽(yáng)光變成了可以使用的電，既環(huán)保又方便。3、光電計(jì)數(shù)器光電計(jì)數(shù)器是利用光電效應(yīng)來(lái)計(jì)數(shù)的裝置。它有一個(gè)光源和一個(gè)光電探測(cè)器（利用光電效應(yīng)工作）。當(dāng)物體通過(guò)光源和光電探測(cè)器之間時(shí)，會(huì)遮擋光線，光電探測(cè)器就會(huì)檢測(cè)到光強(qiáng)的變化，從而產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)可以被計(jì)數(shù)電路記錄下來(lái)。比如說(shuō)在工廠的生產(chǎn)線上，要統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品數(shù)量，就可以讓產(chǎn)品一個(gè)一個(gè)地通過(guò)光電計(jì)數(shù)器，每通過(guò)一個(gè)產(chǎn)品，光電計(jì)數(shù)器就記錄一次，這樣就可以很方便地統(tǒng)計(jì)出產(chǎn)品的數(shù)量了。八、習(xí)題1、某種金屬的截止頻率為ν?，如果用頻率為2ν?的光照射這種金屬，會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)嗎？答案：會(huì)。因?yàn)檫@種金屬的截止頻率為ν?，當(dāng)入射光頻率為2ν?時(shí)，2ν?>ν?，根據(jù)光電效應(yīng)發(fā)生的條件（入射光頻率大于截止頻率），所以會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。2、光強(qiáng)增大時(shí)，光電效應(yīng)中的光電流一定會(huì)增