學(xué)習(xí)了量子論之后，跟著就有了量子思想的應(yīng)用。

一．光電效應(yīng)的現(xiàn)象和規(guī)律

1.現(xiàn)象：用光照射金屬表面，金屬表面會(huì)有電子逸出。由光電效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的電子，稱為光電子。用名稱反映電子的“出身”。

2.光電效應(yīng)的規(guī)律及反映的事實(shí)：

A.存在截止頻率。

不是隨便什么光照射金屬都能觀察到光電效應(yīng)現(xiàn)象，對(duì)某種金屬，要產(chǎn)生光電效應(yīng)，對(duì)入射光的頻率有下限要求。這個(gè)下限頻率稱為截至頻率或極限頻率。如果入射光頻率小于某一值，則無(wú)法產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象。金屬不同，截至頻率也不同，說明截至頻率和金屬本身有關(guān)。有截至頻率，對(duì)應(yīng)的就有截至波長(zhǎng)，及能發(fā)生光電效應(yīng)的波長(zhǎng)上限。

B.存在飽和電流。

如上圖電路圖所示，隨著光電管兩邊電壓的增大，電流表示數(shù)存在一最大值。在電流較小時(shí)電流隨著電壓的增大而增大；但當(dāng)電流增大到一定值之后，即使電壓再增大，電流也不會(huì)再進(jìn)一步增大了。這說明，在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電子都被陽(yáng)極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。

實(shí)驗(yàn)表明，在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。這說明，對(duì)于一定頻率（顏色）的光，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。

C.存在截止電壓。

如果對(duì)上述電路圖施加反向電壓，也就是陰極接電源正極、陽(yáng)極接電源負(fù)極，在光電管兩極間形成使電子減速的電場(chǎng)，電流有可能為0。使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為截止電壓。截止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度，初速度的上限v_c應(yīng)該滿足以下關(guān)系。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，同一種金屬對(duì)于一定頻率的光，無(wú)論光的強(qiáng)弱如何，截止電壓都是一樣的。光的頻率v改變時(shí)，截止電壓Uc也會(huì)改變。這意味著，對(duì)于同一種金屬，光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。

D.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。

當(dāng)頻率超過截止頻率v_c時(shí)，無(wú)論入射光怎樣微弱，照到金屬時(shí)會(huì)立即產(chǎn)生光電流。精確

測(cè)量表明產(chǎn)生電流的時(shí)間很快，即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。

二．經(jīng)典理論解釋的無(wú)能為力之處

電子從金屬中逸出需要具備的條件：金屬表面層內(nèi)存在一種力，阻礙電子的逃逸。

電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。要使電子脫離某種金屬，需要外界對(duì)它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，用W₀表示。換句話說，電子要想從金屬中脫離，至少要吸收W₀的能量。

電子吸收的能量越高，則逸出的數(shù)目越多，飽和電流就越大。

按照經(jīng)典的電磁理論應(yīng)該得到的規(guī)律：

1.不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可以獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率；

2.光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以截止電壓U_c 應(yīng)該與光的強(qiáng)弱有關(guān)；

3.如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生光電流的時(shí)間。

這些結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾。光電效應(yīng)這個(gè)新現(xiàn)象考驗(yàn)著經(jīng)典的電磁理論。

三．愛因斯坦的光電效應(yīng)理論

借用普朗克量子論的思想，認(rèn)為電磁波也是一份一份有粒子性的，稱之為光子，能量為電磁波的頻率與普朗克常數(shù)的乘積。E=hv。

愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：

當(dāng)光子照到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中的某個(gè)電子全部吸收，金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hv，在這些能量中，一部分大小為W₀的能量被電子用來(lái)脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動(dòng)能，即

hv ＝ E_k＋W_o

能量守恒定律的體現(xiàn)

1.這個(gè)方程表明，只有當(dāng)hv > W₀ 時(shí)，光電子才可以從金屬中逸出， W₀＝hv_c就是光電效應(yīng)的截止頻率。

2.這個(gè)方程還表明，光電子的最大初動(dòng)能E_k與入射光的頻率v有關(guān)，而與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。這就解釋了截止電壓和光強(qiáng)無(wú)關(guān)。

3.電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)產(chǎn)生的。

4.對(duì)于同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。

四．愛因斯坦光電效應(yīng)理論的證實(shí)

從1907年起，美國(guó)物理學(xué)家密立根開始以精湛的技術(shù)測(cè)量光電效應(yīng)中幾個(gè)重要的物理量。值得一提的是，密里根本來(lái)是以抱著推翻愛因斯坦光電效應(yīng)的理論去做實(shí)驗(yàn)的，最終的結(jié)果恰恰證實(shí)了結(jié)論的正確性。間接證明了光子論的正確性。

五．康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量

X射線的散射，散射后的X射線中，還有波長(zhǎng)比入射波長(zhǎng)長(zhǎng)的射線。

康普頓用光子的模型成功地解釋了這種效應(yīng)。他的基本思想是：光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)λ和普朗克常量h有關(guān)。

六．光子本性的深化理解

公式中揭示的內(nèi)涵，左邊是描述粒子性的能量和動(dòng)量，右邊是描述波動(dòng)的頻率和波長(zhǎng)，互相之間有了內(nèi)在聯(lián)系。從而說明光具有波粒二象性。