第四章 波粒二象性 第二节 光电效应方程及其意义 粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册 一、能量子假说 1900年，德国物理学家普朗克在对黑体(一种能全部吸收外来辐射而无任何反射的物体）辐射问题进行研究中，首次提出了一个与人类直接经验相违背的大胆假说，即能量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hv的整数倍，hv被称为一个能量子，其中v是辐射频率，h是一个常量，被称为普朗克常量。 实验测得 ????=????.????????×?????????????????????????? ? 普朗克利用该能量子假说推导出的理论结果与实验相符，而这些实验结果恰恰是经典电磁理论无法解释的。普朗克因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。 在宏观世界里，一个物理量的取值通常是连续的。比如，物体的质量、动能、动量的大小等都可以取任意的有限值。也有一些量的取值是不连续的，如人数、台阶数等。在微观世界里，物理量的取值常常是不连续的，只能取一些分立的值，这种物理量分立取值的现象称为量子化现象。 二、光子假说 1905年，在普朗克能量子假说的启发下，年仅26岁的爱因斯坦指出，当光和物质相互作用时，光的能量不是连续的，而是一份一份的光量子。这些光量子后来被称为光子。一个光子的能量为 ????=???????? ? 式中h是普朗克常量，ν是光的频率。这就是爱因斯坦的光子假说。光子假说认为，每个光子的能量只取决于光的频率，例如紫光的频率比红光高，所以紫光光子的能量比红光光子的能量大。同样频率的光，光的强弱反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少。 普朗克首先提出了黑体辐射的能量子假说，爱因斯坦则把普朗克的思想推广到辐射场的能量量子化，其光子概念是量子思想的一次质的飞跃。 【讨论·交流】 经典电磁理论在解释光电效应实验时遇到了根本性的困难。那么，利用光子假说，应该怎样解释光电效应实验呢？ 三、光电效应方程 按照光子假说，在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得能量hv，这些能量一定部分用来克服金属的束缚，这种使电子脱离某种金属所做的功的最小值，我们称为金属的逸出功，用符号W0表示。电子逸出后，还具有一定的动能。根据能量守恒定律、入射光子的能量等于出射光电子的最大初动能Ek与逸出功W0之和，即 ????????=????????+???????? ? 式中????????=????????????????????????????????这就是爱因斯坦建立的光电效应方程。爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。后来，美国实验物理学家密立根用实验证实了这个方程，并且测出了普朗克常量。密立根在测量基本电荷和光电效应的实验方面做出了杰出的贡献，因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。 ? 按照光子假说，光与金属相互作用时，如果光子的能量大于金属的逸出功，入射光的强度越大，所含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因此饱和电流越大。所以，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。 根据光电效应方程，光与金属相互作用时，如果光子的能量小于金属的逸出功，那么无论入射光的强度有多大，照射的时间有多长，金属内部的电子都不能被激发而逃逸出来。因此，光电效应发生的条件是光子的能量ε=hν必须大于或等于逸出功W0。即????≥???????????? ? 这就是光电效应存在截止频率的原因。 【总结】 1.存在截止频率vc:由????????=?????????????????知，只有当????????>????????时，光电子才可以从金属中逸出，????????=????????????就是光电效应的截止频率。 ? 2.截止电压和光强无关:由????????=?????????????????知，光电子的最大初动能????????与入射光的频率v有关，而与光的强弱无关，而由????????????=????????=?????????????????可知????????=?????????????????????????与光强无关。 ? 3.光电效应具有瞬时性：电子一次性吸收光 ... ...
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