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7.4: 光电效应
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Chemistry

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Photoelectric Effect
 
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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(ν),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

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