光电效应方程是怎样的?
当光照射在金属表面时,金属中会有电子逸出,这种现象被称为光电效应。1887年赫兹首次发现这一现象后,物理学家们尝试用经典电磁理论释,却始终法开“光电子初动能与光强关”“存在截止频率”等矛盾。直到1905年,爱因斯坦提出光量子假说,才给出了清晰的理论释,并推导出了光电效应方程。光电效应方程的表达式为:\\[ h\\nu = W_0 + E_k \\]
式中,\\( h \\) 是普朗克常量约为\\( 6.626 \\times 10^{-34} \\, \\text{J·s} \\),\\( \\nu \\) 是入射光的频率,\\( W_0 \\) 是金属的逸出功,\\( E_k \\) 是光电子的最大初动能。这个方程揭示了光电子产生的能量转化关系:入射光中的光子将能量传递给金属中的电子,其中一部分能量用于克服金属对电子的束缚即逸出功\\( W_0 \\),剩余的能量则转化为光电子逸出时的最大初动能\\( E_k \\)。
方程中的逸出功\\( W_0 \\)由金属本身的性质决定,不同金属的原子核对核外电子的束缚力不同,因此逸出功也不同。例如,铯的逸出功较小约\\( 1.9 \\, \\text{eV} \\),容易产生光电效应;而铂的逸出功较大约\\( 6.3 \\, \\text{eV} \\),需要更高频率的光才能使电子逸出。
从方程还能直接推导出“截止频率”的概念。当光电子的最大初动能\\( E_k = 0 \\)时,入射光子的能量恰好等于金属的逸出功,此时的入射光频率称为截止频率\\( \\nu_0 \\),即 \\( \\nu_0 = \\frac{W_0}{h} \\)。这意味着,只有当入射光的频率\\( \\nu \\geq \\nu_0 \\)时,才能产生光电子;若\\( \\nu < \\nu_0 \\),论光强多大,电子都法获得足够能量逸出金属表面。
光电效应方程不仅定量释了光电效应的所有实验规律,更重要的是,它首次将光的粒子性引入物理学,证明了光不仅具有波动性,还具有粒子性即光子。这一方程成为量子力学发展的重要基石,也为后来光电器件如光电管、太阳能电池的研发提供了理论依据。
