光電效應本質是能量的交互和轉移，對量子力學影響甚大！

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

關於光電效應的研究歷史大概是這樣的：1887年，赫茲在做證實麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時，偶然發現了光電效應。赫茲用兩套放電電極做實驗，一套產生振蕩，發出電磁波；另一套作為接收器。他意外發現，如果接收電磁波的電極受到紫外線的照射，火花放電就變得容易產生。赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發表後，引起物理學界廣泛的注意，許多物理學家進行了進一步的實驗研究。

1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯證實，這是由於在放電間隙內出現了荷電體的緣故。

1899年，J.J.湯姆孫用巧妙的方法測得產生的光電流的荷質比，獲得的值與陰極射線粒子的荷質比相近，這就說明產生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這樣，物理學家就認識到，這一現象的實質是由於光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內部的自由電子獲得更大的動能，因而從金屬表面逃逸出來的一種現象。

光電效應

1899—1902年，勒納德對光電效應進行了系統的研究，並首先將這一現象稱為「光電效應」。為了研究光電子從金屬表面逸出時所具有的能量，勒納德在電極間加一可調節反向電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面時的最大速度。他選用不同的金屬材料，用不同的光源照射，對反向電壓的截止值進行了研究，並總結出了光電效應的一些實驗規律。根據動能定理：qU=mv^2/2，可計算出發射出電子的能量。可得出：hf=(1/2)mv^2+I+W

深入的實驗發現的規律與經典理論存在諸多矛盾，但許多物理學家還是想在經典電磁理論的框架內解釋光電效應的實驗規律。有一些物理學家試圖把光電效應解釋為一種共振現象。勒納德在1902年提出觸發假說，把這種現象理解為共振。

愛因斯坦用光量子理論對光電效應提出理論解釋後，最初科學界的反應是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理學家也不接受光量子假說。儘管理論與已有的實驗事實並不矛盾，但當時還沒有充分的實驗來支持愛因斯坦光電效應方程給出的定量關係。直到1916年，光電效應的定量實驗研究才由美國物理學家密立根完成。

密立根對光電效應進行了長期的研究，經過十年之久的試驗、改進和學習，有效地排除了表面接觸電位差等因素的影響，獲得了比較好的單色光。他的實驗非常出色，於1914年第一次用實驗驗證了愛因斯坦方程是精確成立的，並首次對普朗克常數h作了直接的光電測量，精確度大約是0.5%(在實驗誤差範圍內)。1916年密立根發表了他的精確實驗結果，他用6種不同頻率的單色光測量反向電壓的截止值與頻率關係曲線關係，這是一條很好的直線，從直線的斜率可以求出的普朗克常數。結果與普朗克1900年從黑體輻射得到的數值符合得很好。

光電效應現象是赫茲在做證實麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時偶然發現的，而這一現象卻成了突破麥克斯韋電磁理論的一個重要證據。

愛因斯坦在研究光電效應時給出的光量子解釋不僅推廣了普朗克的量子理論，證明波粒二象性不只是能量才具有，光輻射本身也是量子化的，同時為唯物辯證法的對立統一規律提供了自然科學證據，具有不可估量的哲學意義。這一理論還為波爾的原子理論和德布羅意物質波理論奠定了基礎。

愛因斯坦光電效應方程

根據愛因斯坦的光量子理論，射向金屬表面的光，實質上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的頻率過低，即光子流中每個光子能量較小，當他照射到金屬表面時，電子吸收了這一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小於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，因而不能產生光電效應。如果照射光的頻率高到能使電子吸收後其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，就會產生光電效應。此時逸出電子的動能、光子能量和逸出功之間的關係可以表示成：光子能量- 移出一個電子所需的能量（逸出功）=被發射的電子的最大初動能。

即：Εk(max)=hv-W0

這就是愛因斯坦光電效應方程。

其中，h是普朗克常數；v是入射光子的頻率

密立根的定量實驗研究不僅從實驗角度為光量子理論進行了證明，同時也為波爾原子理論提供了證據。

1921年，愛因斯坦因建立光量子理論並成功解釋了光電效應而獲得諾貝爾物理學獎。

1922年，玻爾原子理論也因密立根證實了光量子理論而獲得了實驗支持，從而獲得了諾貝爾物理學獎。

1923年，密立根「因測量基本電荷和研究光電效應」獲諾貝爾物理學獎。

但大家還應該知道該理論的後續發展，根據波粒二象性，光電效應也可以用波動概念來分析，完全不需用到光子概念。威利斯·蘭姆與馬蘭·斯考立於1969年證明這理論。 也就是說可以用愛氏的理論解釋光電效應，也可以用馬蘭·斯考立的理論來解釋。光電效應也恰恰能反應出量子的波粒二象性。

所以說，這是一個很重要的物理髮現，打破了經典電磁理論的局限，打開了量子力學的大門。

通過眾多科學家大量的實驗總結出光電效應具有如下實驗規律：

外光電效應的一些實驗規律

a．僅當照射物體的光頻率不小於某個確定值時，物體才能發出光電子，這個頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應的波長λ0叫做極限波長。不同物質的極限頻率和相應的極限波長λ0 是不同的。

一些金屬的極限波長(單位：埃)：

b．光電子脫出物體時的初速度和照射光的頻率有關而和發光強度無關。這就是說，光電子的初動能只和照射光的頻率有關而和發光強度無關。

c．在光的頻率不變的情況下，入射光越強，相同的時間內陰極(發射光電子的金屬材料)發射的光電子數目越多

d．從實驗知道，產生光電流的過程非常快，一般不超過10的-9次方秒；停止用光照射，光電流也就立即停止。這表明，光電效應是瞬時的。

e．愛因斯坦方程：hν=(1/2)mv^2+I+W

式中(1/2)mv^2是脫出物體的光電子的初動能。金屬內部有大量的自由電子，這是金屬的特徵，因而對於金屬來說，I項可以略去，愛因斯坦方程成為 hυ=(1/2)mv^2+W 假如hυ

f、光電效應里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。

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內光電效應的一些實驗規律

當光照在物體上，使物體的電導率發生變化，或產生光生電動勢的現象。分為光電導效應和光生伏特效應（光伏效應）。

1 光電導效應

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過度到自由狀態，而引起材料電導率的變化。

當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本徵半導體材料，且光輻射能量又足夠強，光電材料價帶上的電子將被激發到導帶上去，使光導體的電導率變大。

基於這種效應的光電器件有光敏電阻。

2 光生伏特效應

「光生伏特效應」，簡稱「光伏效應」。指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象。它首先是由光子（光波）轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像築高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的迴路。

光伏發電，其基本原理就是「光伏效應」。太陽能專家的任務就是要完成製造電壓的工作。因為要製造電壓，所以完成光電轉化的太陽能電池是陽光發電的關鍵。

簡單來說就是在光作用下能使物體產生一定方向電動勢的現象。基於該效應的器件有光電池和光敏二極體、三極體。

上面的內容，就是關於光電效應的知識和規律，你理解了嗎？說的再通俗一點，形象一些，我們可以這樣去理解和認識光電效應。

光是一種電磁波，是磁場和電場的產物。金屬中的電子，在一定軌道上運行。當光照射在金屬表面，頻率超過金屬的極限頻率時候，電子吸收電磁波中的能量，溢出金屬表面。

這其實是很融洽的畫面，電子攜帶電荷，光是電磁波，這種作用，恰好說明了，量子系統的完備。電場，磁場，電磁場，電磁波，電子，以及物質的內部結構【電子運動區域的設想】。後來進一步去研究原子核，質子，中子……不斷深化了認識。

大家要對光電效應的本質有深的認識，那就是光電效應是能量的交互和轉移。電可以生磁，磁可以生電，電磁交互生電磁波，這都是在一定的規則下的情況。

然而大自然法則最奇妙的事情，又在於任何物體都有輻射，輻射波，輻射粒子。萬物運動，且運動方式，運動的聯繫，運動頻率又制約和造成種種現象。

理解一個現象，要理解這個現象所產生的背景，這恰恰是很難的一部分。拿光電效應來說，電磁波是一個系統，被照射的金屬是一個系統，這其實是兩個系統之間的作用。所以本質上是能量的交互和轉移。

可是你如果這樣想，電磁波照到一個電子上，還有光電效應嗎？？顯然不會從一個單一的電子中再溢出一個電子來，這很荒謬。但這些看似荒謬的問題，卻往往能引出奇妙的思考。

也就是說和一個電子的交互，不是兩個系統的交互。可是你把電子射入一個電磁場中，電磁場是會對電子有作用的。思考一個問題，是為了下一個問題做補充。這就是我們這一章的思考。

摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》第五章。

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