7.4: 光电效应

当特定波长的光入射到金属表面时，会发射出电子。这称为光电效应。可以引起电子发射的最小光频率称为阈值频率，该频率特定于金属。频率低于阈值频率的光，即使强度很高，也无法启动电子发射。但是，当频率高于阈值时，射出的电子数量与电子束的强度成正比。

根据经典波理论，波的能量取决于其强度（取决于其幅度），而不是其频率。这些观察结果的一部分是，在给定的时间段内，随着亮度的增加，射出的电子数量会增加。 1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）通过将普朗克（Planck）的量化结果整合到信誉良好的光粒子视图中，解决了这一悖论。

爱因斯坦认为，普朗克假定的量子化能量可以通过光电效应应用于光。撞击金属表面的光不应视为波，而应视为其能量取决于其频率的粒子流（以后称为 光子），能量的量（ E ）取决于其频率（＆nu;），根据以下公式:

其中 h 是普朗克常数。

可以通过假设光被量化来描述光电效应。需要一定的最小能量来克服电子所经历的结合能（Φ）。这也称为金属的功函数（ W ）。

由于金属中的电子具有一定数量的结合能，使它们保持在那里，因此入射光需要具有更多的能量来释放电子。低频光子的能量不足，无法从金属中喷射出电子。即使金属长时间暴露在这种光下，也没有观察到电子的发射。仅当能量大于功函数的光子撞击金属时，电子才能发射。

光子的多余能量转换为发射电子的动能。

因此，电子在被具有足够能量（频率大于阈值）的光子撞击时会被弹出。入射光的频率越高，碰撞传递给逃逸电子的动能就越大。爱因斯坦还认为，光强度不取决于入射波的幅度，而是与给定时间段内撞击表面的光子数量相对应。射出的电子数量随亮度增加而增加。入射光子的数量越多，它们与某些电子发生碰撞的可能性就越大。

光电效应强烈暗示了光的粒子行为。爱因斯坦因对光电效应的解释而赢得了1921年诺贝尔物理学奖。尽管可以用波或粒子来解释许多光现象，但是某些现象（例如当光通过双缝时获得的干涉图样）与光的粒子视图完全相反，而其他现象（例如光电）效果，完全违背了光波的观点。不知何故，在一个尚未被完全理解的深层基础上，光既是波状的又是粒子状的。这就是所谓的波粒对偶。

本文改编自 Openstax，化学2e，第6.1节:电磁能量。