光电效应
从实验现象到爱因斯坦方程,搞懂光子如何敲出电子
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光电效应
从实验现象到爱因斯坦方程,搞懂光子如何敲出电子
根据光电效应方程分析实验
上页我们看到光打金属能打出电子——但为什么红光再亮也没用,紫外光一照就有?这就需要把这件事量化。爱因斯坦用简洁的方程把光子能量、电子逸出功、电子动能三者的关系写清楚。
起点高度=光子能量 hν,必须爬的台阶=逸出功 W,滑下速度²=剩余动能 E_km
光电效应
上页我们用方程解释了实验数据,但这页要退一步看物理图景:光究竟是怎么把金属里的电子「踢」出来的?
门要够力气才能开(频率决定单光子能量);力气不够敲多少次也开不了(强度只加光子数)
光电子
上一页我们用爱因斯坦方程解释了实验曲线,现在把镜头对准方程左边的 E_k——这个能量属于谁?属于光电子。
弹弓拉力(单光子能量)要够大才能弹出,射再多发力度不够也不行
截止频率
爱因斯坦方程告诉我们,光电子的最大动能随入射光频率升高而线性增加。但方程在某个点会失效——当 Ek=0 时,光电子"刚刚能出来",再多就出不来了。这个临界点对应的频率,就是截止频率。
每个光子须独自越过横杆;光强再大,单个跳不过仍无人出线
饱和电流
上一页我们讲了光电子从金属表面飞出。要把它们收集起来测电流,需要在对面放一块阳极并加上电压。电压慢慢升高,电流会怎样变化?会不会一直涨?
水龙头出水速率=光子打金属的速率;桶越正越接得多,但再多也超不过出水速率
遏止电压
前面我们用方程算出光电子最大初动能 Eₖ = hν − W。但实验室里怎么「测」这个能量?抓不住电子,但可以让电场去拦——加一个反向电压,让飞过来的电子减速,直到一个都过不来。
最快的球对应动能最大的电子;恰好让最快球停下的坡高就是 U₀
逸出功
上一页我们测出了光电子的最大动能 Ek。把它代回方程 hν = Ek + W₀,每个金属都会对应一个常数 W₀——这就是电子离开这块金属的'出场费'。
井壁高度 = 逸出功;至少要这么多能量才翻得出去
光子能量
上次提到要把电子从金属里敲出来,至少要克服'逸出功'。那光子本身到底要带多少能量才够?这就要看每个光子的能量由什么决定。
高速大口径子弹动能大可穿甲;高频紫外光子能量大能敲出电子,低频红光如橡皮弹打不动
爱因斯坦光电效应方程
上一页我们把截止频率、逸出功、光子能量各自拎出来了。这一页,爱因斯坦用一条等式把它们焊在一起——这就是光电效应方程。
推力 hν = 爬出坑的 W₀ + 球滚出来的动能 Ek
光子的动量
前页我们用 E=hν 解释了光怎么打出电子。但光不只是'给能量'——它也能'推'东西。彗尾总背着太阳、激光能夹住细胞,这都是光子的动量在起作用。
都有撞击效应,但光子无质量,p=h/λ 完全来自波动性
康普顿效应
上一页我们把光子的动量 p=h/λ 写了出来,可凭什么说它真有动量?1923 年康普顿把 X 射线打进石墨,散射光里竟然多出一段明显更长的波长——这一「变长」只能用光子把动量交给了电子来解释。
动球减速(光子波长变长),能量转给静球(电子获得动能飞出)
波粒二象性
光电效应让我们看到光像粒子——有确定能量,一份一份作用;干涉衍射又让我们看到光像波——能叠加、能绕障。同一个东西,怎么能同时是两种完全不同的东西?
正面投影像矩形(连续如波),侧面投影像圆(分立如粒子),两者都是真实投影但都不能完整描述圆柱本身
本节要点
串联本节知识点,给出记忆锚点与易错提醒
课后思考
先独立思考再看参考答案,三问覆盖回顾、应用与拓展。
参考答案都提出能量有最小单元;区别在于普朗克只让振子能量量子化,而爱因斯坦认为光场在空间本身也是一份份的。
参考答案不一定。能否打出电子取决于入射光子能量hv是否大于逸出功W,所以还与入射光频率有关;逸出功只决定截止频率。
参考答案光电效应证明光子有能量(一份份地交换能量);康普顿效应证明光子还有动量(碰撞后波长改变),二者互补支撑二象性。