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什么是光电效应?是什么决定了光子可以把电子从金属中踢出来!

信息来源:dianzi.biz  时间:2019-04-26  浏览次数:23

光是一种粒子,还是一种波动?物理学家为了这个问题激烈地争论了好几个世纪。量子力学以一种不可思议的方式解决了这个争论:都是。

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为了理解光的波动性,假想一个电子决定到激光束下去做一个日光浴。激光束是稳定、相干、强烈的光束。这里的要点是,当电子进入激光束时,它将被拉着先跑到一边,然后又被拽到另一边,以特定的频率如此来回反复地振荡。这个频率就是被代入方程E=hv的那一个,(这里的E是能量,v是频率,h是因为不确定性原理而引入的布朗克常数)可见光的频率比10??次振荡每秒要稍微低一点。

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这个类比很奇特,但它容易给出一个更实际的例子。电磁波和光其实就是一回事,但具有小得多的频率。FM电台的频率大约是10?次振荡每秒,或10?Hz。一兆赫兹是一百万赫兹,或10?Hz。所以100兆赫兹就是10?HZ。这样101.5兆赫兹就是10?多一点点次振荡每秒。一个FM电台就建在差不多这样的频率上。当你调台时,你调整的就是电路里电子振荡的频率,要使这个频率和电台的频率对上号。这很像做日光浴的电子,收音机里的电子沐浴在电波下,吸收照在它身上的无线电波。

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另一个应该会有益的类比是海上的浮标。一般而言,浮标通过链条拴在一个位于海底的锚上,这样它就不会被洋流和海浪冲跑了。浮标浮在水面上,在波浪的作用下上上下下地运动着。这就好比是日光浴下的电子对激光束的反应。关于日光浴下的电子实际上还有更多情节:除非它像浮标一样被什么东西拴住,否则它最终将沿激光束方向被推动。

光又将如何像粒子一样行为呢?著名的光电效应实验给我们提供了证据,光确实是由光子构成的,每一个光子的能量都是E=hv。我们来解释一下。如果你对着金属照射光,你能把电子敲出来。利用一个巧妙的实验装置,你可以检测到这些电子甚至还能测量它们的能量。这些测量结果可以这样解释。光由很多光子构成,这相当于对金属施加了很多小的打击,每次打击相当于光子撞击到金属中的一个电子上。

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假如光子有充足的能量,有时,它就能把与之碰撞的电子踢出金属。根据方程E=hv,更高的频率意味着更高的能量。我们知道蓝光的频率比红光高大约35%,这意味着一个蓝光子比一个红光子多35%的能量。假设你用钠来研究光电效应。实验告诉我们,红光的能量不足以把钠里面的电子踢出来。甚至更亮的红光也无法把电子踢出来,我们看不到任何电子。但蓝光子,因为它们有更高的能量,足够把电子从钠里面踢出来。甚至非常弱的蓝光也能做到这一点。可见问题的关键不是光的亮度(和光子的数目无关)而是光的颜色,是光的颜色决定了每个光子的能量。

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能把电子从钠里面踢出来的光的最小频率是5.5×10??次振荡每秒,即绿光。它对应的能量,利用方程E=hv,就是23电子伏。把电子接到一个伏特的电源上它可以获得的能量就是1电子伏。所以普朗克常数的数值将是2.3电子伏除以5.5×10??次振荡每秒。通常将它简记为4.1×10ˉ??电子伏·秒。

总结一下,光在很多情况下的行为像波,然后在很多情况下像粒子。这被称为波粒二象性。根据量子力学,并不仅仅是光才有波粒二象性:万物皆有。

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