杨老师讲物理之——光的粒子性

选修3-5第二章第二节...

我们今天来学习第二讲光的粒子性

上一讲能量量子化为我们揭示了微观世界的规律是不同于宏观世界的。因为研究的基本起点就不同，一个是以连续性为基本观点，另一个是以不连续即量子化为基本研究起点。我们习惯了连续性的方法来看待世界，就很难接受猛然出现的新事物。虽然是事实但思想上仍然不接受，越是在老方法上建树越深的大咖越难以接受新的颠覆性的观点。因此普朗克的量子观点并没有引起当时物理学术界大咖们的关注。新事物生命力顽强是不可战胜的，老一辈不关注也要逆势生长，那么新方法的发展创新自然就落到年轻一代的身上，因为年轻人对老的三观形成的不深，自然不那么顽固，容易接受新的事物或思想。新思想的推动下又会诞生新的物理学大咖。今天我们来了解其中的一位—爱因斯坦，看他是怎样建立自己的功绩的。

1.经典物理又一解释不了的现象—光电效应

这个效应最早由赫兹在研究电磁波时发现的，很偶然，在科学实验中每一点的突发情况也会引起科学家的高度注意。说明做题很认真，不放过一个模糊点，有这品质参加高考，那还不想考哪儿考哪儿，管你清华北大爱谁谁。后来由德国物理学家p.勒纳德和英国物理学家j.j.汤姆孙（发现电子的那位，后面讲解会提到）等相继实验证实。现象很简单当某种光照射在金属板上时，金属板上会有电子从表面跑出来，这就是光电效应现象，因吸收光能而跑出来的电子叫做光电子。

2.理论对现象的解释。

按照经典物理的说法，电子受到原子的束缚是不能脱离的，只能在其周围溜达，但不脱离。就像一只被困的动物想挣脱却有链子的束缚。怎样才能跑出来呢？对，把链子拉断。拉断链子需要能量的，刚好能摆脱束缚所需要的能量叫逸出功我们通常用w0来表示。不同的金属逸出功是不一样的。光电子是怎么出来的呢？当然是能量太高束缚不住了，那能够帮助它逃脱的能量只有光能了。也就是表面电子吸收光能使自己能量变大，能量大到原子束缚不住了，就跑出来成为光电子。

饱和电流-：光照条件不变的情况下，极板间加正向电压（如图所示A端为正极）电压越大电流就越大，但达到某一饱和值时电流就不随电压增大了。除非增强光照强度否则电流就定格不变了。

说明光照强度一定时光电子数目一定，但不是所有出来的光电子都被正极吸收，（可以这么理解：光电子从一个平面跑出来的方向有很多，不光是垂直于平面方向，但只有垂直出来或接近垂直出来的才会打到另一个极板上。）加外界电压会产生与极板垂直方向的电场，在这种电场的作用下，垂直于极板面方向出来的光电子数量会增加。电压越大这个方向出来的光电子越多。所以电流达到饱和前不从垂直方向出来的光电子都跑散了，并没到打到正极板上，不能转化成电流。电压越大跑偏的光电子就越少，打在极板上的电子就越多，电流就越大。当电压达到某一值时，所有光电子都没跑偏，再增大电压也就没有意义了，因为所有的资源都用上了，电流就达到饱和。要想再让电流大只能增强光照强度，使光电子数目增多。说明光照强度只能增加光电子数目。

遏止电压：当外界正向电压为零时仍然会有电流，要想让电流消失就要加反向的电压（上图中A断接负极）。这个让电流降到0的反向最小电压称为遏止电压(Ue)。说明光电子出来有一定的动能。不用外电场助力也能跑到另一个极板，反向电压正好能挡住这部分自己跑过来的电子，也就有EK=qUe ，（EK为光电子动能，q为光电子带电量。）

理论解释的困难——不是所有光都能产生光电子。

1.产生光电子对光的频率是有要求的，对于同一种金属来说只有高于某一频率的光照射时才会发生光电效应，我们把能产生光电子所需的最小频率叫做截止频率Ve。不同的金属对应的不同的截止频率。不论光有多弱只要频率符合条件就能发生。不符合频率条件再强的光也白搭。2.只要达到频率要求的光照射瞬间就能产生现象，而不需要时间积累。这就和经典理论相背了，以前我们认为光是一种波。越强说明能量越大，让光电子跑出来只要能量足够就行，频率高只能说明传输能量快点，按理说频率低的光传输时间长点也能达到同样的能量。怎么会有截止频率一说呢？第二按出来光电子能量来算弱光要传输足够的时间才能达到能量要求，这也和瞬时性相矛盾。理论灾难又一次产生。

不爱拉小提琴的技术员不是好物理学家

年轻的爱因斯坦充分吸收了普朗克能量量子的观念。他认为光本质上是一种粒子，最小的单位称为光量子简称光子。光子的能量和普朗克能量量子一样ε=hv，其中v为光的频率。所以金属中一个电子只能吸收一个光子，而且吸收光子时间很短几乎是瞬时的。那么这个电子吸收光子后能不能成为光电子就要看吸收的光电子能量能否大于逸出功。刚好等于逸出功时对应的那个光频就是截止频率。即hve=w0，EK= hv- w0。光强说明光子个数多，但单个光子能量是看频率的大小。频率低的单个光子能量少吸收了他的电子仍然达不到出来所需能量，这样就很完美的解释了光电效应现象。爱因斯坦因此获得1921年诺贝尔物理学奖。光量子的提出解释了光新的本质它不仅仅是一种波了，同时也是一种粒子。爱因斯坦有给出光子动量机公式p=E/c=h/λ，经康普顿效应证实光具有粒子性。

未完待续

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