光電效應(Photoelectric Effect)

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1 光電效應(Photoelectric Effect)
光照射在金屬物上﹐使其表面釋放 出電子的現象﹐稱為光電效應 金屬表面釋放出的電子稱為光電子 光電子的性質與一般電子完全相同

2 古典View：光為一種電磁波 光的亮度即代表光的能量 光的能量與光的振幅有關而與光的頻率 (即顏色)無關

3 古典View：波的能量與振幅有關 正弦波可以視為許多同時做簡諧運 動的質點 每個質點的能量即為簡諧運動的能 量 E = 1 2 k 𝑅 2
整個波的能量(即亮度)正比於波的 振幅平方，而與波的頻率(即顏色) 無關

4 古典View：光電效應 根據能量守恆原理： E= W+Ekmax 入射光的能量E (振幅有關) = 光電子脫離金屬所需的最小能量W (定值)
入射光能量越大，亮度越亮(振幅越大)， 光電子最大動能會越大

5 光電效應：實驗裝置 測量光電子最大動能 →可變電壓源 →提供反向電壓 Ekmax= qE L = q ∆𝑉 (∆𝑉：截止電壓)
測量光電子最大動能 →可變電壓源 →提供反向電壓 Ekmax= qE L = q ∆𝑉 (∆𝑉：截止電壓) 測量截止電壓：伏特計 測量光電子流：微安培 計

6 光電效應：實驗結果(一) 每種金屬都存在一個底限頻率f0： 入射光頻率 f ≥ f0 → 光電子出現。 入射光頻率 f < f0 →
不論照射光的亮度有多強，都無法釋放出 任何光電子 不論照射光的時間有多久，都無法釋放出 任何光電子 結論：光電子的產生與入射光的 振幅無關，但與頻率有關

7 光電效應：實驗結果(二) 入射光的亮度越強 →光電子的最大動能不變 →光電子的數量變多 結論： 光電子的數量(光電流)與光的強度有關
光電子的最大動能與光的強度無關

8 愛因斯坦：《關於光的產生和轉化的 一個試探性觀點》
光的能量量子簡稱光量子或光子 量子：物理量的最小單位 光傳播時具有波的性質 光與物質交換能量需以光子的形式，即 光與物質交換的能量有最小單位 光子的能量正比於光的頻率 E = h f 光子不是被完全吸收﹐就是完全不被吸 收。在金屬中的電子不可吸收非整數個 （如 0.6 個）光子﹐而只可吸收一個光子。

9 光子： 波長為 400 nm 之綠光﹐所對應光子的能量 為多少焦耳？
頻率 f ＝ 𝑐 λ = 3× 108m/s 4× 10−7m =7.5× 1014（Hz） 綠光光子能量 E＝hf＝(6.6×10－34)×(7.5×1014) ＝4.97×10－19（J）

10 電子伏特(eV) 帶電量為e之物體，經過一伏特的 電位差後，所獲得的動能稱為一個 電子伏特。
Ek = e∆𝑉 =(1e)x(1V) = 1 eV電子伏 特 =(1.6x10-19C)x(1 𝐽 𝐶 )=1.6x10-19J 1 eV電子伏特=1.6x10-19J

11 光子： 在討論微觀的物理現象中﹐一般常 用的能量單位為電子伏特(eV)﹐而 1eV ＝1.6× 10－19 J﹐則 400 nm 綠 光的光子能量為多少 eV？ 綠光光子能量 E＝ 4.97×10－19J 1.6× 10－19 J = 3.1 eV

12 愛因斯坦光電方程式(能量守恆) E = W+Ekmax E：入射光子的能量 E=hf (可測量) W：功函數： 光電子脫離金屬所需的最小能量
Ekmax = q ∆𝑉 (可測量)

13 功函數 (W = hf0) 入射頻率等於底限頻率時，光電子最大 動能 = 0 E = W+Ekmax→E = hf0 = W+ 0
E = W+Ekmax→ hf = hf0 +e ∆𝑉 (可測量)

14 密立坎光電效應實驗 hf = hf0+e ∆𝑉 以頻率f為x軸，截止電壓∆𝑉為y軸作圖 斜率： ℎ 𝑒 X截距：f0
Y截距： −ℎf0 𝑒 = −𝑊 𝑒 求出普朗克常數 &功函數W

15 密立坎光電效應實驗 hf = hf0+e ∆𝑉= W+Ekmax 以頻率f為x軸，Ekmax為y軸作圖 斜率=h X截距=f0 Y截距=-W
求出普朗克常數 &功函數W

16 密立坎光電效應實驗 實驗結果吻合光電方程式，證實光 的粒子性
愛因斯坦因為「對理論物理學的成 就，特別是光電效應定律的發現」 榮獲1921年諾貝爾獎 密立根因為「關於基本電荷以及光 電效應的工作」獲得1923年諾貝 爾獎

17 光電效應的應用 太陽能電池 夜視鏡 月球塵：陽光照射到月球表面與月球塵， 會因為光電效應，促使它們帶有正電荷， 因此月球塵會被月球表面排斥，靜電懸 浮於月球表面上方幾公尺高區域，懸浮 在月球空中好似「大塵層」，從遠處觀 察，可以看到一層薄薄的灰霾，迢遙的 月球輪廓因此 變得模糊不清，落日後， 依舊可以在地平面上方看到暗淡的曙暮 光。