每個(gè)
大家好，已經(jīng)完成考試或正在參加期末考試的人。 又到了聽艾嘉喋喋不休的高中物理的時(shí)間了。 本周，我們?yōu)榇蠹規(guī)?lái)物理學(xué)史上的一個(gè)“小”發(fā)現(xiàn)——光電效應(yīng)。
說起光電效應(yīng)，大家一定會(huì)想到大名鼎鼎的愛因斯坦。 正是他提出了光量子的概念，并總結(jié)了光電效應(yīng)方程，從而成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。 然而，他并不是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的科學(xué)家。
1887年，德國(guó)物理學(xué)家海因里?！ず掌潱]錯(cuò)，就是那個(gè)頻率單位）首次發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，純屬偶然。
當(dāng)時(shí)，他在一次證明光的波動(dòng)論的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)鋅球中的一個(gè)受到紫外線照射時(shí)，球之間會(huì)閃爍出電火花。 然后就沒有了。 。 。 。 赫茲的大部分貢獻(xiàn)是對(duì)電磁波的貢獻(xiàn)。 光電效應(yīng)的現(xiàn)象讓他很困惑，根本無(wú)法解釋，所以他只是認(rèn)真記錄了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)表了論文。 幾年后，他陷入了迷茫。
然而光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了許多科學(xué)家的關(guān)注。 其中，赫茲的助手倫納德認(rèn)為這是一個(gè)不尋常的發(fā)現(xiàn)。 他做了大量的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了光電效應(yīng)現(xiàn)象的一些規(guī)律。 然而，當(dāng)他試圖用經(jīng)典理論，即波動(dòng)論來(lái)解釋這些規(guī)律時(shí)，卻總是自相矛盾，無(wú)法解釋。 結(jié)果小樂童鞋也一頭霧水。 和他的前輩一樣，他記錄并組織了這些總結(jié)性的規(guī)則。 1905年諾貝爾獎(jiǎng)?wù)J可了肖樂的工作。
至此，大家對(duì)于光電效應(yīng)其實(shí)已經(jīng)非常熟悉了。 它只是一塊裸露的金屬板，不需要電力或電磁場(chǎng)的幫助。 它只有在受到某些光線照射時(shí)才能瞬間將電子飛出去，而在某些光線的照射下，即使被照射死，電子也無(wú)法飛出去。 每個(gè)人都了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但缺乏強(qiáng)有力的理論來(lái)解釋它。 這時(shí)候就輪到童鞋們愛因斯坦了！
在之前研究的基礎(chǔ)上，26歲的愛因斯坦采取了不同的方法。 普朗克提出能量量子假說后，大膽地將這一假說應(yīng)用到輻射和吸收過程中，從而提出了全新的光量子假說。 ，解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象！
1905年，愛因斯坦發(fā)表了論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和變換的指導(dǎo)性觀點(diǎn)》，成功地解釋了光電效應(yīng)并確定了其定律。
所以，天才就是天才。 這樣前所未有的想法，簡(jiǎn)直讓人嘆為觀止！
那么光電效應(yīng)的現(xiàn)象、原理和規(guī)律是什么呢？ 讓艾嘉為您一一講解。
什么是光電效應(yīng)？
當(dāng)光束照射到金屬板上時(shí)，電子會(huì)逸出。 這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逃逸出的電子稱為光電子（注意：這東西不是光子）。
電子為什么會(huì)逃逸？
當(dāng)一束光照射在金屬板上時(shí)，相當(dāng)于一串能量球落在金屬板上。 金屬板中的自由電子原本被原子核束縛著，每天過著枯燥而艱苦的生活。 當(dāng)他們得到了這種能量，就意味著他們的能力變得更強(qiáng)了，翅膀也變得更強(qiáng)了。 如果是你，你還能坐得住嗎？ 世界那么大，每個(gè)人都想出去看看。 于是這些電子帶著吸收的能量，打算逃離原子核的束縛。 然而，每個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，這是一個(gè)能量球，吸收的能量是有限的。 那么，你想要逃走，就沒那么容易了。 就看你吸收的能量是否大到足以掙脫原子核的束縛。 因此，當(dāng)某些頻率的光照射到金屬板上時(shí)，電子會(huì)逸出，而有些光則不會(huì)對(duì)其發(fā)生反應(yīng)。 原因是不同的光具有不同的光子能量。
愛因斯坦假設(shè)每個(gè)光子攜帶的能量為ε = hυ，其中ε是光子攜帶的能量，h是普朗克常數(shù)，υ（讀作miu）是光的頻率。 因此，光的頻率越高，能量越大。 假設(shè)當(dāng)金屬板被紫光照射時(shí)有電子逸出，那么當(dāng)紅光照射時(shí)則沒有電子逸出。
愛因斯坦的光電效應(yīng)方程是什么？
這就是著名的光電效應(yīng)方程。
方程中，愛因斯坦認(rèn)為電子吸收的能量hυ一部分用于克服原子核的約束，其余的是電子逃離金屬板表面時(shí)留下的動(dòng)能，這個(gè)動(dòng)能也稱為電子的最大能量。 初始動(dòng)能。
正如艾嘉之前所說，電子獲得一定的能量，想要逃離原子核的束縛。 如果能量足夠大，它們就可以逃脫。 如果能量不夠，他們就無(wú)法逃脫。 因此，如果這個(gè)能量恰好足以使電子從金屬板中逸出，也就是說，當(dāng)電子到達(dá)金屬板表面時(shí)，動(dòng)能為0，就好像你耗盡了所有的能量一樣。努力，終于即將跨過門檻，但你已經(jīng)耗盡了精力。 ，你只能凄慘地停在門口，無(wú)法再前進(jìn)。 這時(shí)，你所吸收的huυ全部耗盡光電效應(yīng)有哪些規(guī)律，這個(gè)能量的大小就是所謂的功函數(shù)W0。 這種狀態(tài)下的光的頻率稱為金屬板的極限頻率。 當(dāng)最大初始動(dòng)能為0時(shí)，hυ正好等于功函數(shù)W0。 如果金屬板的材料不同，原子核與電子的結(jié)合程度就會(huì)不同，功函數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化。
這是光電效應(yīng)的一個(gè)重要檢驗(yàn)點(diǎn)。 孩子們必須了解功函數(shù)的算法。
由此可見，光電子的最大初始動(dòng)能與光照頻率直接相關(guān)。 對(duì)于相同的金屬板，功函數(shù)相同，因此光的頻率越大，光電子的初始動(dòng)能越大。 ，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。
光電效應(yīng)的規(guī)律是什么？
首先我們看下圖，這是探索光電效應(yīng)規(guī)律的電路圖。
圖中，當(dāng)一束光照射到金屬板K上時(shí)，電子逸出。 前人將K板稱為陰極，而A板用于接收電子光電效應(yīng)有哪些規(guī)律，稱為陽(yáng)極。 請(qǐng)注意區(qū)分。 。 小朋友們，請(qǐng)仔細(xì)觀察圖片。 我們假設(shè)一開始開關(guān)S是關(guān)斷的，那么檢流計(jì)A中就會(huì)流過非常非常小的電流，這個(gè)電流就是光電流。 那么為什么光電流這么弱呢？ 因?yàn)殡m然電子逃逸并具有一定的初始動(dòng)能，但能否到達(dá)A板仍然是一個(gè)問題。 我們假設(shè)有一些光電子能夠克服重重困難到達(dá)A板，這時(shí)候因?yàn)楣怆娮拥臄?shù)量太少，環(huán)路中的電流會(huì)非常非常小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯。
如果它不明顯，它仍然有點(diǎn)神秘，所以我們關(guān)閉 S。注意！ 電源正負(fù)極的方向，如上圖所示，光電流的方向是從A到K，電源E提供的電流方向也是從A到K。因此，這個(gè)電壓是為了加速光電子的運(yùn)動(dòng)，促使其在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到A。 板上的光電子數(shù)量增加，從而增加光電流，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。 這個(gè)電壓稱為正向電壓，其作用是放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
這時(shí)，我們想象一下，假設(shè)光頻率和光強(qiáng)度不變，單位時(shí)間可以有10個(gè)光電子從K板逃逸，在正向電壓的作用下，單位時(shí)間可以有10個(gè)光電子到達(dá)A板。 有5個(gè)光電子，有5個(gè)是無(wú)法到達(dá)的。 這時(shí)我們?cè)黾诱螂妷骸?利用靜電場(chǎng)的知識(shí)，我們可以簡(jiǎn)單判斷，光電子所受的電場(chǎng)力增大，加速度增大，平均速度增大，因此單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)A板的光電子數(shù)量增多。 比如有8個(gè)，當(dāng)我們繼續(xù)提高正向電壓時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)能到達(dá)A板的光電子最大數(shù)量為10個(gè)，因?yàn)榭偣灿?0個(gè)逃逸了，不能再多了。 這時(shí)候，調(diào)皮的孩子們，趕緊回憶一下，電流的定義是什么？ 單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面積的電荷量。 這也意味著光電流不能無(wú)限制地增加。 它有一個(gè)上限。 當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)逃逸的10個(gè)光電子全部到達(dá)A板時(shí)，就是所謂的光電流上限，這個(gè)上限稱為飽和光電流。
光電流會(huì)隨著正向電壓的增加而增加，但不會(huì)永遠(yuǎn)增加。 當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，即使增加正向電壓，電流也不會(huì)改變。
那么飽和光電流與什么有關(guān)系呢？ 當(dāng)然，這與光線的強(qiáng)度有關(guān)。 光線越強(qiáng)，光子數(shù)量越多，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子就越多。
（我看不懂分割線）
好的！ 至此，不知道大家的腦容量夠不夠。 如果沒有，建議休息5分鐘后再繼續(xù)。
所以我們對(duì)上面的光電子施加的是正向電壓。 當(dāng)然，我們也可以給光電子施加一個(gè)反向電壓，即將E的正負(fù)極顛倒過來(lái)，此時(shí)施加的電壓就是阻礙光電子的運(yùn)動(dòng)。 因此，當(dāng)你施加恰到好處的電壓英語(yǔ)作文，使光電子到達(dá) A 板時(shí)的速度為 0 時(shí)，你就會(huì)成功。 而這個(gè)恰到好處的反向電壓就是我們所說的耐壓電壓。
接下來(lái)，稍微用一下動(dòng)能定理，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，包容電壓的大小可以根據(jù)最大初始動(dòng)能計(jì)算出來(lái)。 列公式如下：
這就是制動(dòng)電壓的解決方案。 熊孩子們，請(qǐng)記住這一點(diǎn)。 同時(shí)你一定發(fā)現(xiàn)了，阻斷電壓與初始動(dòng)能有關(guān)，而初始動(dòng)能又與照射頻率有關(guān)。 因此，阻斷電壓的大小還與照射頻率有關(guān)！
說了這么多，是時(shí)候總結(jié)一下了。 光電效應(yīng)實(shí)際上只有幾個(gè)定律，如下：
① 當(dāng)入射光的頻率一定時(shí)，
飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比，即單位時(shí)間內(nèi)擊出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。
② 光電子最大初始動(dòng)能
無(wú)論入射光的強(qiáng)度如何，
它僅取決于入射光的頻率。
頻率越高，光電子的能量越大。
③ 頻率低于入射光的光，
無(wú)論光線的強(qiáng)度或曝光時(shí)間的長(zhǎng)短，
沒有一個(gè)發(fā)射光電子。
④ 光照射和光電子釋放
幾乎同時(shí)，
一般不超過10-9秒。
那么愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)給出了什么解釋呢？ 詳情如下：
① 愛因斯坦方程表明，
光電子初動(dòng)能 Ek
與入射光的頻率線性相關(guān)，
與光照強(qiáng)度無(wú)關(guān)。
僅當(dāng)hν>W0時(shí)，
只有這樣光電子才會(huì)逸出，
hν=W0時(shí)的頻率為其截止頻率。
② 電子一下子吸收了光子的全部能量，
不需要時(shí)間去積累能量，
光電流幾乎是瞬時(shí)自然發(fā)生的。
③ 對(duì)于相同顏色（相同頻率）的光，
當(dāng)光更強(qiáng)時(shí)，它包含更多的光子。
照射金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多光電子，
因此，飽和電流較大。
至此，光電效應(yīng)被愛因斯坦完美地解釋了。 以下圖片艾嘉不做解釋，調(diào)皮的孩子可以根據(jù)已經(jīng)講過的內(nèi)容自行理解。
圖1 初始動(dòng)能與光頻率的關(guān)系
圖2 光照頻率一定時(shí)光電效應(yīng)IU圖
Uc 是阻斷電壓
圖3 光強(qiáng)一定時(shí)光電效應(yīng)的IU圖
Uc 是阻斷電壓
好的！ 本周的內(nèi)容到這里就結(jié)束了。 每當(dāng)我給頑皮的孩子們教物理時(shí)，艾嘉都會(huì)一遍又一遍地崇拜那些物理大師。 他們的想法跨越了幾個(gè)時(shí)代，許多事情都是假設(shè)的，直到很多年后才被實(shí)驗(yàn)證明。 光電效應(yīng)方程于1915年被密立根實(shí)驗(yàn)證實(shí)！
偉大的愛因斯坦一生提出了許多有趣的想法。 他一生唯一獲得的諾貝爾獎(jiǎng)是1921年，因他對(duì)光電效應(yīng)的解釋和光電效應(yīng)方程的制定。
在此，讓我們?cè)俅蜗蜻@位偉大的科學(xué)家致以崇高的敬意。
附有愛因斯坦當(dāng)年論文的副本。
上周的問題你答對(duì)了嗎？ 答案如下：
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下周見！
如果你覺得物理特別難，