高三物理光電效應(yīng)方程的實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)
高三物理光電效應(yīng)方程的實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)
光學(xué)是物理學(xué)知識(shí)的重要內(nèi)容,尤其是高三的物理中的光電效應(yīng)問題,在物理學(xué)習(xí)中占有較大的比重，下面是學(xué)習(xí)啦小編給大家?guī)淼母呷锢砉怆娦?yīng)方程的實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)，希望對(duì)你有幫助。
高三物理光電效應(yīng)方程的實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)
1.每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)都存在一極限頻率(或稱截止頻率)，即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應(yīng)的波長(zhǎng)被稱做極限波長(zhǎng)(或稱紅限波長(zhǎng))。當(dāng)入射 光的頻率低于極限頻率時(shí)，無論多強(qiáng)的光都無法使電子逸出。
2.光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。
3.光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，即幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間不超過十的負(fù)九次方秒(1ns)。
4.入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱，即只影響在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積是逸出的光電子數(shù)目。在光顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，即一定顏色的光，入射光越強(qiáng)，一定時(shí)間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)目越多。 在光電效應(yīng)中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強(qiáng)度，即只與電磁波的振幅有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)。
而實(shí)驗(yàn)規(guī)律中的第一、第二兩點(diǎn)顯然用經(jīng)典理論無法解釋。第三條也不能解釋，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典理論，對(duì)很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個(gè)能量積累的過程而不可能瞬時(shí)產(chǎn)生光電子。 光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關(guān),光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。
所有這些實(shí)際上已經(jīng)曝露出了經(jīng)典理論的缺陷，要想解釋光電效應(yīng)必須突破經(jīng)典理論 根據(jù)愛因斯坦的光量子理論，射向金屬表面的光，實(shí)質(zhì)上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的頻率過低，即光子流中每個(gè)光子能量較小，當(dāng)他照射到金屬表面時(shí)，電子吸收了這一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小于電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。如果照射光的頻率高到能使電子吸收后其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，就會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。此時(shí)逸出電子的動(dòng)能、光子能量和逸出功之間的關(guān)系可以表示成：光子能量= 移出一個(gè)電子所需的能量(逸出功)+ 被發(fā)射的電子的動(dòng)能。 即：hf=(1/2)mv^2+Φ 這就是愛因斯坦光電效應(yīng)方程。
其中，h是普朗克常數(shù);f是入射光子的頻率 功函數(shù) Φ是功函數(shù)，指從原子鍵結(jié)中移出一個(gè)電子所需的最小能量，表達(dá)式如右圖，其中f0是光電效應(yīng)發(fā)生的閥值頻率，即極限頻率;功函數(shù)有時(shí)又以W或A標(biāo)記。 動(dòng)能表達(dá)式 E(kmax)是逸出電子的最大動(dòng)能，如右圖;m是被發(fā)射電子的靜止質(zhì)量;vm是被發(fā)射電子逸出時(shí)的初速度。
注：這個(gè)算式與觀察不符時(shí)(即沒有射出電子或電子動(dòng)能小于預(yù)期)，可能是因?yàn)橄到y(tǒng)沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。
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