《C 光電效應 光子說》知識清單

《C光電效應光子說》知識清單一、光電效應的發(fā)現(xiàn)之旅1、赫茲的意外發(fā)現(xiàn)19世紀末，赫茲在做電磁感應實驗的時候，他用紫外線照射兩個電極之間的間隙。結果發(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，突然來了一陣微風（紫外線），讓本來難以泛起漣漪（產(chǎn)生電火花）的湖面變得活躍起來。這個意外的現(xiàn)象就是光電效應的開端。赫茲當時可能并沒有完全意識到這個發(fā)現(xiàn)的重大意義，就像我們有時候在生活中發(fā)現(xiàn)一些小奇怪的事情，比如手機有時候信號突然變好，但不知道是因為附近新安裝了信號增強器一樣。2、光電效應的基本概念定義：在光（包括不可見光）的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應。簡單來說，光就像一個調(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。相關實驗裝置：一般有一個金屬板（作為發(fā)射電子的陰極），還有一個陽極，它們放在一個真空管里。當光照射到金屬板上時，電子就會從金屬板飛出來，然后被陽極收集。這就好比是在一個封閉的小房子（真空管）里，有一個裝滿小球（電子）的盒子（金屬板），一束神奇的光線射進來，把小球都給彈了出來，然后旁邊還有一個小籃子（陽極）等著接住這些彈出來的小球。二、光電效應的實驗規(guī)律1、存在截止頻率（極限頻率）對于某種金屬，只有當入射光的頻率大于某一頻率時，才會發(fā)生光電效應。這個頻率就叫做截止頻率（極限頻率）。就好像每種金屬都有一個門檻，光的頻率如果達不到這個門檻，就別想把電子從金屬里面趕出來。比如說，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（頻率不夠高），就攻不進去（不能發(fā)生光電效應）。實驗發(fā)現(xiàn)，不管光的強度有多強，如果頻率低于截止頻率，都不會有光電效應。這就像不管你用多大的力氣去推一扇已經(jīng)鎖死的大門（光強好比推力，但頻率不夠就像鑰匙不對，門怎么也推不開）。2、光電流與光強的關系當入射光的頻率高于截止頻率時，光電流的大?。ㄒ簿褪潜悔s出來的電子形成的電流大?。┡c入射光的強度成正比。光強越大，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，形成的電流也就越大?？梢韵胂蟪梢蝗盒∥浵仯娮樱鈴娫酱缶拖裼性蕉嗟男∥浵伇惑@擾，然后朝著同一個方向（陽極）跑，形成的隊伍（電流）就越龐大。但是，光電流有一個飽和值。這是因為當所有能被光照射到的電子都被趕出來后，即使再增加光強，也沒有更多的電子可以被趕出來了，就像一個盒子里只有10個小球（可被趕出來的電子），不管外面來多少個小槌子（光強增加），最多也只能打出10個小球，不會再多了。3、光電效應的瞬時性光電效應幾乎是瞬時發(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”地一下跑出來了。比如說，就像你按門鈴（光照射），門鈴幾乎馬上就響了（電子逸出），不會有延遲，不會說你按了門鈴還得等個幾分鐘門鈴才響。三、經(jīng)典電磁理論的困境1、按照經(jīng)典理論的預期經(jīng)典電磁理論認為，光的能量是由光的強度決定的。按照這個理論，只要光強足夠大，不管光的頻率多低，都應該能發(fā)生光電效應。就像只要力氣夠大（光強夠大），不管工具（光的頻率）合不合適，都應該能把活干完（發(fā)生光電效應）。而且，按照經(jīng)典理論，電子從金屬中逸出應該是需要一定時間積累能量的，不應該是瞬時的。就好比燒水，按照常規(guī)的想法，要把水燒開得慢慢加熱，不可能一下子就燒開了（電子瞬時逸出不符合經(jīng)典理論）。2、與實驗結果的矛盾可是實驗結果卻和經(jīng)典電磁理論的預期完全相反。這就像你按照一本食譜（經(jīng)典電磁理論）做菜，結果做出來的菜完全不是食譜上說的那個樣子（與實驗結果不符），這時候你就知道這個食譜肯定有問題了。這種矛盾說明經(jīng)典電磁理論在解釋光電效應上是有缺陷的，就像一件衣服破了個洞，不能完全遮住身體（不能完美解釋光電效應）了。四、愛因斯坦的光子說1、光子說的提出愛因斯坦為了解決經(jīng)典電磁理論在光電效應解釋上的困境，提出了光子說。他認為光不是像經(jīng)典理論認為的那樣是連續(xù)的波，而是由一個個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）串起來的。光子的能量和光的頻率有關，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（這個常量就像一個固定的魔法數(shù)字），ν是光的頻率。這就像每個小珠子（光子）都有自己的能量值，這個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，藍色的珠子（高頻率光子）能量大。2、光子說對光電效應的解釋關于截止頻率：當光子的能量小于金屬的逸出功（把電子從金屬中拉出來需要做的功）時，就不能發(fā)生光電效應。因為每個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。?，推不動大石頭（電子克服逸出功）。只有當光子能量足夠大，也就是光的頻率高于截止頻率時，才能發(fā)生光電效應。光電流與光強的關系：光強越大，意味著光子的數(shù)量越多。因為每個光子都有可能打出一個電子，所以光強越大，被打出的電子就越多，光電流就越大。這就像人多力量大，來的小螞蟻（光子）越多，能推動的小石頭（打出的電子）就越多。光電效應的瞬時性：光子與電子是一對一相互作用的。當光子的能量足夠時，它與電子一碰撞，就能把電子打出來，不需要時間積累能量，所以光電效應是瞬時發(fā)生的。這就像一顆子彈（光子）擊中一個目標（電子），只要子彈的力量夠大（光子能量夠），就會馬上把目標打倒（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克服金屬內(nèi)部引力所做的功。就像把一個小玩具從一個很深的盒子里拿出來，需要克服盒子對小玩具的吸引力，這個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，就像不同的盒子對小玩具的吸引力大小不一樣。2、與光電效應的關系光電效應能否發(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）就能打開門（發(fā)生光電效應），匹配不上就不行。六、光子說的驗證1、密立根實驗密立根做了一個很著名的實驗來驗證愛因斯坦的光子說。他通過精確測量不同頻率的光照射金屬時產(chǎn)生的光電效應相關數(shù)據(jù)，比如測量光電流、截止電壓等。他發(fā)現(xiàn)實驗結果和愛因斯坦光子說的理論計算結果非常吻合。這就像你按照一個新的建筑設計圖（光子說）來蓋房子（做實驗），最后蓋出來的房子（實驗結果）和設計圖預想的幾乎一模一樣，這就證明這個設計圖（光子說）是正確的。在這個實驗中，他根據(jù)測量的數(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）進行計算。這個公式就像一把神奇的鑰匙，可以把實驗數(shù)據(jù)和光子說的理論聯(lián)系起來。如果這個公式在不同的實驗條件下都成立，那就說明光子說是可靠的。就像一把鑰匙能打開不同的鎖（在不同的實驗數(shù)據(jù)下都適用），那這把鑰匙肯定是對的（光子說正確）。七、光電效應的應用1、光電管光電管是利用光電效應制成的一種常見器件。它有一個陰極和一個陽極，當光照射到陰極時，陰極就會發(fā)射電子，電子被陽極收集，從而在電路中形成電流。光電管就像一個小小的光探測器，光一照它就能產(chǎn)生電流。比如在一些自動控制裝置中，光電管可以用來檢測光線的有無。像在電梯門口，當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），光電管的電流就會發(fā)生變化，這個變化就會被檢測到，然后電梯門就不會關閉，這就是光電管在實際生活中的一個簡單應用。2、太陽能電池太陽能電池也是光電效應的一個重要應用。它是由很多半導體材料組成的。當陽光照射到這些半導體材料上時，就會發(fā)生光電效應，產(chǎn)生電子空穴對，然后這些電子和空穴在電場的作用下定向移動，從而產(chǎn)生電流。太陽能電池就像一個小小的能量收集器，把太陽光的能量轉(zhuǎn)化為電能。我們可以看到在很多地方，比如一些偏遠地區(qū)的家庭屋頂上，會安裝太陽能電池板。這些太陽能電池板在白天吸收太陽光，把它轉(zhuǎn)化為電能，可以用來給家里的電器供電，像照明、看電視等，這就相當于把免費的太陽光變成了可以使用的電，既環(huán)保又方便。3、光電計數(shù)器光電計數(shù)器是利用光電效應來計數(shù)的裝置。它有一個光源和一個光電探測器（利用光電效應工作）。當物體通過光源和光電探測器之間時，會遮擋光線，光電探測器就會檢測到光強的變化，從而產(chǎn)生一個電信號，這個電信號可以被計數(shù)電路記錄下來。比如說在工廠的生產(chǎn)線上，要統(tǒng)計生產(chǎn)出來的產(chǎn)品數(shù)量，就可以讓產(chǎn)品一個一個地通過光電計數(shù)器，每通過一個產(chǎn)品，光電計數(shù)器就記錄一次，這樣就可以很方便地統(tǒng)計出產(chǎn)品的數(shù)量了。八、習題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，會發(fā)生光電效應嗎？答案：會。因為這種金屬的截止頻率為ν?，當入射光頻率為2ν?時，2ν?>ν?，根據(jù)光電效應發(fā)生的條件（入射光頻率大于截止頻率），所以會發(fā)生光電效應。2、光強增大時，光電效應中的光電流一定會增