量子理论是怎样解释光电效应的?

xlt13572468


爱因斯坦在1905年,使用光量子假说成功解释了光电效应,并被密立根和康普顿实验所验证。

光和原子、电子一样也具有粒子性,光就是以光速c运动着的粒子流,这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样,每个光量子的能量也是E=hv,根据相对论的质能关系式,每个光子的动量为p=E/c=h/λ

光电效应的量子解释

1. 光电效应能否产生——由光频率决定,光电子获得能量与光强无关,与频率有关

满足爱因斯坦光电方程

2.光电效应的本质——光子内禀属性(波粒二象性),决定了阈值性

3.光的强度只决定光子的数目,不能决定逸出电子能量

4.光电效应的瞬时性:

当电子一次性地吸收了一个光子后,便获得了 hv 的能量而立刻从金属表面逸出,没有时间滞后。

量子实验室,专注科学问题,欢迎评论和关注。


量子实验室


可见光的波长是从380-800nm,对应光子的能量是hν:3.2eV-1.5eV。如果普朗克关系成立的话,这意味着每个可见光的光子有大致eV量级的能量。如果光子把这份能量全部给金属中的电子的话,金属中的电子就有可能会从金属中逃逸出来,这就是所谓光电效应。

对金属而言,金属的外层电子是属于金属全体的,它们可以在金属内部自由运动,但它们要脱离金属,还需要克服一个金属表面的逸出功φ,才能跑到金属外面去。

根据能量守恒,入射光子的能量是hν,假设全部能量都传递给金属中的电子,电子消耗逸出功φ,从金属中跑出去,此时电子的动能就是:K=hν-φ。

有了这个公式就能很容易地解释光电效应实验。比如:对入射光子来说,存在截止频率,即光波的频率必须大于一个临界值,才能观察到光电子从金属中跑出来,这个截止频率对应的就是逸出功的存在,算出来是:φ/h。

光电效应最显著的特征是,光电子的产生只和频率有关,与光强无关,只要光子频率大于φ/h,就有光电子出射,并且几乎没有响应时间,只需要小于10的-9次方秒,光电子就会产生。

这说明光可以瞬间把能量传递给电子,几乎没有能量积累的过程,这说明光在这里只能被看做是个粒子,而不能被看做是经典的电磁波。

这在一百多年前是很难想象的。因外当时光是电磁波刚刚被赫兹实验所证实,而根据光是电磁波的理论。光的能量由电磁波的振幅决定,这个振幅是可以连续取值的,并不存在光的最小能量单位hν,再者金属中的电子和光的相互作用在经典电磁学的框架下应被描述为电子在电磁波的电场分量作用下的受迫振动,在这个图像下,电子只可能在特征频率下被激发起来,更大的频率并不能使电子获得更多的能量。


物理思维


磁场里光速流动的物质转化为金属态氢离子;光电效应是金属态氢离子的“磁力矩”切割地球磁场里的磁力线释放电磁波。



金童希瑞




分享到:


相關文章: