光電效應與光子 · PhotonLab

光電效應現象

照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這種現象叫光電效應，逸出的電子叫光電子。1887 年赫茲在做電磁波實驗時最早注意到它。

把一塊鋅板接在驗電器上，讓它帶上負電，再用紫外燈照射：箔片的張角漸漸變小。再試試讓鋅板帶正電、在燈和鋅板之間插一塊玻璃，或者換成很強的紅光。

電子在電場中怎樣運動，可以在 FieldLab 裡看到。

光電管與伏安特性

光照射光電管的陰極 K 打出光電子，陽極 A 收集它們形成光電流。加正向電壓，電流增大到飽和電流後不再增大；加反向電壓，電流減小，到某一電壓時為零，這個電壓叫遏止電壓 Uc。

實驗規律：每種金屬都有截止頻率，入射光頻率低於它時，光再強也沒有光電子；光電子的最大初動能隨頻率增大而增大，與光強無關；光強越大，飽和電流越大；光電子的發射幾乎是瞬時的。愛因斯坦用光子解釋：Ek = hν − W₀。

這裡的光強指入射光的功率：功率相同時，頻率越高，每個光子的能量越大，光子數反而越少。

測普朗克常量

由 eUc = hν − W₀ 得 Uc = (h/e)ν − W₀/e：遏止電壓與頻率成線性關係，斜率是 h/e，與橫軸的交點是截止頻率。1916 年，密立根本想否定愛因斯坦的方程，結果卻精確地證實了它。

選一條汞譜線，慢慢加大反向電壓，直到電流計的指針恰好回到零，記錄這時的電壓；換幾條譜線記錄 3 組以上，再擬合直線。換一種陰極金屬，比較兩條直線。

光的波粒二象性

光電效應說明光具有粒子性，干涉和衍射說明光具有波動性。讓光弱到每次只有一個光子通過雙縫：每個光子只在屏上打出一個點，落在哪裡無法預測；大量光子的落點卻組成了干涉條紋，光子落在各處的概率由光波的強度決定。

德布羅意提出，電子等實物粒子也有波動性，波長 λ = h/p。讓電子束穿過石墨薄膜，熒光屏上出現了衍射圓環，證實了物質波。

雙縫干涉的波動光學見 OpticsLab。

隨堂檢測

回顧四個課題，完成下面的選擇題。