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光电效应 指南

物理高级阅读时间: 3 分钟

概述

光究竟是波还是粒子？1905年，爱因斯坦通过解释「光电效应」给出了震撼世界的答案：光具有粒子性。本实验模拟了光子轰击金属表面激发出电子的过程。通过调节光的频率、强度以及反向电压，你将亲身体验量子力学的开端，并验证著名的爱因斯坦光电效应方程。

背景知识

  • 1887年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）在实验中首次发现光电效应现象，但他无法用当时的电磁波理论解释。
  • 1902年，菲利普·莱纳德（Philipp Lenard）通过实验发现光电子的最大动能与光强无关，而与频率有关，这与波动理论相悖。
  • 1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出光量子假说，成功解释了光电效应的所有实验现象，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖。

核心概念

光子 (Photon)

E=hfE = hf

光的能量是一份一份的，每一份称为一个光子。其能量 EE 由频率 ff 决定。

逸出功 (Work Function, Φ\Phi)

Φ=hf0\Phi = hf_0

电子脱离金属表面束缚所需的最小能量。不同金属的逸出功不同，通常用 Φ\Phi 或 WW 表示。

最大初动能 (KmaxK_{\text{max}})

Kmax=hf−ΦK_{\text{max}} = hf - \Phi

光电子逸出金属表面时所具有的最大动能。它等于光子能量减去逸出功。

遏止电压 (VsV_s)

eVs=Kmaxe V_s = K_{\text{max}}

使光电流减小到零所需的最小反向电压。此时电场力做的负功等于电子的最大初动能。

公式与推导

爱因斯坦光电效应方程

hf=Φ+Kmaxhf = \Phi + K_{\text{max}}
入射光子的能量 hfhf 一部分用于克服金属的束缚（逸出功 Φ\Phi），剩余部分转化为电子的动能 KmaxK_{\text{max}}。

实验步骤

  1. 1

    寻找截止频率

    选择一种金属（如钠）。将电压设为 0V0V。从长波长（红光）开始逐渐减小波长（增加频率），观察在什么波长下开始有电子飞出？这个临界点对应的频率就是截止频率 f0f_0。
  2. 2

    探究光强影响

    在有光电流产生的情况下，保持波长不变，调节「光强」。观察电子飞出的数量（密度）和电子的运动速度有何变化？这说明了光强代表什么？
  3. 3

    测量遏止电压

    保持光强和频率不变，调节电池电压为负值（反向电压）。观察电子是如何被减速的。记录主要电流刚好变为 00 时的电压值，这就是遏止电压 VsV_s。
  4. 4

    验证爱因斯坦方程

    改变入射光的频率，重复步骤3测量不同频率下的遏止电压。思考遏止电压（代表最大动能）与频率之间是否存在线性关系？

学习目标

  • 确认光电效应的发生取决于光的频率而非光强
  • 掌握光电流大小与入射光强度之间的正比关系
  • 验证最大初动能随入射光频率线性增长的规律
  • 理解光具有波粒二象性中的「粒子性」特征

生活应用

  • 光电管：用于自动控制门、路灯的感应开关，能够在有光照时产生电流控制电路。
  • 太阳能电池：利用光生伏特效应将光能直接转化为电能，是清洁能源的重要组成部分。
  • 光电倍增管：在核物理和医学成像（如PET扫描）中检测微弱光信号。
  • 数码相机（CCD/CMOS）：利用光电效应将射入镜头的光子信号转化为电子信号进行成像。

常见误区

误区
只要光足够亮，哪怕是红光也能从锌片中打出电子
正解
错误。如果光子能量 hfhf 低于逸出功 Φ\Phi，无论光强（光子数量）多大，单个光子都无法「踢」出电子。这证明了能量是量子化的。
误区
增加反向电压，光电流会无限增大
正解
错误。增加反向电压会阻碍电子到达阳极，光电流会减小。增加正向电压，电流会增大直到达到饱和电流。
误区
光电子的最大初动能与光强成正比
正解
错误。最大初动能只与光的频率有关。增加光强只是增加了光子的数量，从而增加了逸出电子的数量（光电流），但不改变单个电子的能量。

延伸阅读

准备好了吗？

现在你已经了解了基础知识，开始动手实验吧！

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