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一、什麼是光電效應？ 定義： 光電效應是指當光照射到某些金屬表面時，金屬會釋放出電子的現象。這些釋放出來的電子稱為光電子 (photoelectrons)。 光電效應是愛因斯坦解釋光的粒子性 (光子) 的重要證據。 實驗現象： 光電流 (Photocurrent)：在光照下，金屬表面釋放出光電子，這些光電子在電場的作用下形成電流。 光電子的產生：並非所有頻率的光都能引發光電效應，只有當光的頻率高於某一特定值時，才能產生光電子。 截止電壓 (Stopping Potential)：為了阻止光電子到達陽極，需要在陰極和陽極之間施加一個反向電壓。當反向電壓達到某一特定值時，光電流會停止。這個反向電壓稱為截止電壓。 二、光電效應的實驗規律 光電效應的實驗規律與經典電磁理論的預測相矛盾，這些實驗規律是： 存在截止頻率 (Threshold Frequency)： 對於每一種金屬，都存在一個特定的截止頻率 (ν₀)。 只有當入射光的頻率 (ν) 高於截止頻率 (ν > ν₀) 時，才能發生光電效應。 入射光的頻率低於截止頻率時，無論光照強度多大，照射時間多長，都不會發生光電效應。 光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關： 入射光的頻率越高，光電子的最大初動能越大。 光電子的最大初動能與入射光的強度無關。 光電流的強度與入射光的強度成正比： 當入射光的頻率高於截止頻率時，入射光的強度越大，單位時間內釋放的光電子數越多，光電流的強度越大。 光電效應具有瞬時性： 光照到金屬表面後，光電子幾乎立即釋放出來，時間間隔非常短，通常小於 10⁻⁹ 秒。 三、愛因斯坦的光量子理論 (Photon Theory) 為了解釋光電效應的實驗規律，愛因斯坦在 1905 年提出了光量子理論： 光的量子化： 光不是連續的電磁波，而是一份一份的，每一份稱為一個光子 (photon)。 光子具有能量和動量。 光子的能量： 光子的能量與光的頻率成正比。 公式：E = hν E：光子的能量 (J) h：普朗克常數 (Planck's constant)，h ≈ 6.63 × 10⁻³⁴ J·s ν：光的頻率 (Hz) 光電效應的解釋： 當一個光子照射到金屬表面時，它將所有的能量一次性地傳遞給一個電子。 如果光子的能量大於或等於金屬的逸出功 (work function)，電子就可以從金屬表面釋放出來。 逸出功 (W₀)：電子從金屬表面掙脫出來所需要的最小能量。 逸出功的大小與金屬的材料有關。 愛因斯坦光電效應方程： 光電子的最大初動能等於光子的能量減去金屬的逸出功。 公式：E_k = hν - W₀ E_k：光電子的最大初動能 (J) h：普朗克常數 (J·s) ν：入射光的頻率 (Hz) W₀：金屬的逸出功 (J) 截止頻率：當光電子的最大初動能為零時，入射光的頻率等於截止頻率。 hν₀ = W₀ ν₀ = W₀/h 四、光電效應的驗證 密立根實驗 (Millikan's Experiment)：美國物理學家密立根通過實驗驗證了愛因斯坦的光電效應方程，並精確測量了普朗克常數。 密立根實驗支持了光的量子化概念，證明了光具有粒子性。 五、光電效應的應用 光電管 (Phototube)： 利用光電效應將光信號轉換為電信號。 應用：光控開關、光電計數器、光電報警器等。 太陽能電池 (Solar Cell)： 利用光電效應將光能直接轉換為電能。 應用：太陽能發電、人造衛星供電等。 光電倍增管 (Photomultiplier Tube)： 一種極其靈敏的光電探測器，可以檢測到非常微弱的光信號。 應用：天文觀測、核物理實驗等。 數碼相機 (Digital Camera)： 利用光電效應將光信號轉換為電信號，形成圖像。 六、解題技巧 掌握基本概念：理解光電效應的定義、實驗規律和愛因斯坦光量子理論。 應用光電效應方程：能夠靈活應用光電效應方程 E_k = hν - W₀ 求解相關問題。 注意單位統一：能量的單位通常使用焦耳 (J) 或電子伏特 (eV)。 理解截止頻率和截止電壓： 截止頻率：發生光電效應的最小頻率。 截止電壓：阻止光電子到達陽極所需的最小反向電壓。 圖形分析：能夠分析光電子最大初動能與入射光頻率的關係圖。 七、總結 光電效應是高中物理中一個非常重要的概念，它揭示了光的粒子性，是量子力學發展的重要里程碑。理解光電效應的定義、實驗規律和愛因斯坦光量子理論，能夠應用光電效應方程解決相關問題，是學習現代物理學的基礎。