A-Level物理篇：Photoelectric Effect光电效应

今天给大家梳理A-Level物理学科中的一个重要考点：Photoelectric Effect光电效应。

人类对于光的本性的探索从未停止过，从最开始的牛顿认为光是一种微粒，到胡克和惠根斯认为光是一种波动。再到托马斯·杨和菲涅尔正式的光的波动说，以及麦克斯韦提出的电磁学理论。很多科学家都认为掌握了光的本性是一种电磁波，但是到了20世纪人们通过光电效应明确了波粒二象性，证明了光是具有波和粒子的性质。

在1887年，赫兹在证明麦克斯韦方程的各项试验中发现了一个现象。

假如有一个金属板，当光照射金属板时，金属板的电子会被撞飞出来。当时的人们，包括赫兹自己，都无法完美的解释这个实验现象和其中存在的变量问题。例如：光亮度的大小并不会影响实验的结果；光的频率越大，电子动能越大。

直到1905年，爱因斯坦连续发表了三篇论文，其中一篇就是关于光电效应。爱因斯坦在论文中，首先借鉴了德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出的概念：振动带电粒子的能量是量子化（quantisation），也就是说能量是一份一份而不是连续性的。爱因斯坦认为，不仅振动带电粒子是这样的，光的能量也是一份一份的，那么每一份的能量就被称为了光子(photon）。

光子能量（photon energy）=h(Plank constant)*f（frequency），其中h是由普朗克提出的普朗克常数；

而光强是由光子个数决定的。

光强越大，光越亮，光子个数越多。 同时爱因斯坦还提出了多个概念用来解释光电效应：

1、一个电子只能接收一个光子的能量。如果光子能量足够，电子会以Vmax飞出，产生动能Ek；如果光子能量不足，电子不会储存能量（事实上能量会在10^-9s内消散）。

2、得到足够能量飞出的电子被称为光电子（photoelectron）。

3、逸出功（work function）：当金属板中的电子为了克服金属板正电荷的吸引力所做的功。Symbol：Φ。

4、阈值频率（threshold frequency）：由于光能量由频率决定，那么能让光电效应发生的最小光频率就是阈值频率。

综上所述，我们可以得到一个关于光电效应的公式Ek=hf-Φ

即1/2mv^2=hf-Φ

为什么说光电效应很重要？因为这个内容也频繁出现历年考题中，以下就是一道真题，我们可以一起来看一下原题和答案。

该题需要解释实验现象，其得分点如下：

1. Only one photon can transfer energy to a single electron

2. Photon energy depends on frequency

3. Photons must have frequency greater than work function

4. Light with a greater intensity supplies more photons per second

5. More electron can be emitted per second causing a greater current

在爱因斯坦提出这个理论后，美国物理学家密立根反对爱因斯坦的说法，他想通过实验证明爱因斯坦是错误的。该实验就是书上说的photoelectric cell experiment，实验通过控制停止电压（stopping voltage），绘制电子动能和光频率的图像，通过图像计算出h的数值并进行比较，最后发现测量值符合普朗克常数，该实验反而证明了爱因斯坦是正确的。

值得一提的是，由于光电效应明确了光的波粒二象性，并为后人开拓了思维：例如德布罗意提出物质波理论（本质是电子的波粒二象性）就是受到了光的波粒二象性的启发。爱因斯坦于1922年获得了诺贝尔物理学奖，而密立根因为证明了光电效应，在1923年获得了诺贝尔物理学奖。