A-level物理丨光電效應和光的波粒二象性

2021-01-18 A加學院

光電效應由德國物理學家赫茲與1887年發現， 它是物理學中一個重要而神奇的現象。在高於某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光激發出來。



那個時代的科學家都認為光是一種波， 是能連續地傳遞能量的。 而光電效應有幾個比較奇怪的現象卻是波的理論不能解釋清楚的。 一是光波長小於某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。可事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，電子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。



正確的解釋由愛因斯坦提出， 光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即光子或光量子)所組成。光束裡的光子所擁有的能量與光的頻率成正比。假若金屬裡的自由電子吸收了一個光子的能量，而這能量大於或等於某個與金屬相關的能量閾（閥）值（稱為這種金屬的逸出功），則此電子因為擁有了足夠的能量，會從金屬中逃逸出來，成為光電子；若能量不足，則電子會釋出能量，能量重新成為光子離開，電子能量恢復到吸收之前，無法逃逸離開金屬。增加光束的輻照度會增加光束裡光子的「密度」 ，在同一段時間內激發更多的電子，但不會使得每一個受激發的電子因吸收更多的光子而獲得更多的能量。換言之，光電子的能量與輻照度無關，只與光子的能量、頻率有關。


做一個簡單的比喻， 照在我們身上的光不是像水管噴出的水噴在身上是一個連續的過程， 而是像一個個以光子為單位的蛋糕砸向我們， 並與我們身上的分子碰撞發生互動。 在A-level物理的學習中， 光電效應是非常重要的一塊知識， 幾乎次考試中都有光電效應的題。 一般來說， 問答題題會讓學生描述光電效應， 以及解釋為什麼從波的角度無法解釋這種現象和為什麼從粒子的角度又可以解釋這種現象。而計算題則會考察光子能量的計算， 以及愛因斯坦光電效應公式的應用。  



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Xiao Du

A+學院優秀理科教師


教育背景

史丹福大學 (Stanford University)

-機械工程碩士

伊利諾伊大學香檳分校 (UIUC)

-工程物理學士 （最高榮譽畢業）


教學風格

留學歐美七年

對美國高等教育系統有深刻理解

個性化輔導，注重實戰效果


擅長科目

A-Level 物理， GRE閱讀， 數學

託福，SAT，GRE高分

留學考試實戰經驗豐富


學生評價

「率性和認真的完美結合。」

-「理科藝術家的風範。」


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    >一、光的波粒二象性1、光的本性：光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。2、光子的能量和動量：光子能量ε=，光子動量 p=h/λ。能量ε和動量p是描述物質的粒子性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質的波動性的典型物理量。因此ε=hν和p=h/λ揭示了光的波動性和粒子性之間的密切關係。二、粒子的波動性德布羅意假說：實物粒子也具有波動性性。
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  • 光的本質是什麼?什麼是波粒二象性?
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    光究竟是什麼？波粒二象性真的難以理解文/袁玉剛 圖/來自網際網路眾所周知，光具有波粒二象性，也就是說，光既是粒子又是波。但在歷史上，光的粒子說和波動說曾經長期爭執不休。1637年，笛卡爾在他的《方法論》的附錄《折光學》中提出了兩個假說：一是光是類似於微粒的一種物質；二是光是一種以以太為媒質的壓力。這兩個假說實際上就是粒子說和波動說。
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    文/科學新視界，百家號首發，轉載請註明來源於百家號光到底是粒子還是波呢？前面的講光電效應和楊氏雙縫幹涉實驗分別證明了光的粒子性和光的波動性。量子力學的gong'che今天就和大家分享分享光的波粒二象性，歷史上科學家一直在爭論光到底是一種波還是一種粒子，
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    光電效應問題，那年愛因斯坦26歲，正值青春年少精力充沛，年輕人也比較容易接受這些新奇想法。至此我們第二個問題光電效應和第三個問題黑體輻射都得到了很好的理論解釋。其實人類歷史上對於光的認識是波還是粒子一直爭論不休。最早給出系統理論解釋的是惠更斯說光是一種波，就像水一樣波動，還推導出了折射和反射定律，但是沒能解釋衍射。過了幾年，牛頓大神說這個光不是波是微粒，還有就是胡克也支持光的波動學說，他和牛頓一直不合。
  • 用陰陽的概念來理解波粒二象性
    我們遇到了一類新的困難，這種困難迫使我們要藉助兩種互相矛盾的的觀點來描述現實，兩種觀點單獨是無法完全解釋光的現象的，但是合在一起便可以。」波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。
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    愛因斯坦提出光是由稱為「光子」的粒子組成，藉此解釋了光電效應。他也因此獲得了諾貝爾物理學獎。光電效應的發現對物理學影響深遠，並為後來量子力學的發展作出了重大貢獻。量子力學在對微小粒子，如原子和光子的行為預測上，具有驚人的準確性，然而，這些預測非常違反直覺。比如，量子理論認為類似光子的粒子可以同時在不同的地方出現，甚至是同時在無窮多的地方出現，就像波的行為一樣。
  • 《黃帝內經》中關于波粒二象性的描述
    首先，我們要大概知道物理學上關于波粒二象性的概念是什麼樣子的，波粒二象性（wave-particle duality）指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述，也可以部分地用波的術語來描述。
  • 波粒二象性的諾獎史:光的粒子性要多久才被認可?
    原創： Gösta Ekspong 返樸點擊上方藍字「返樸」關注我們，查看更多歷史文章波粒二象性可謂是物理學中最為奇特的現象之一。光到底是粒子還是波，牛頓和惠更斯很早就對此提出了各自的理論。
  • 藍黑裙子解密:不受波粒二象性影響
    科學家首次拍到了光的波粒二象性，有圖有真相。不過，裙子是藍黑色還是白金色當然不受此影響！　　學過高中物理的讀者可能都知道，量子力學告訴我們，光同時具有粒子性和波性，但我們看到的要麼是波，要麼是粒子。電子顯微鏡就利用了波粒二象性來顯示樣品的結構，電子的波長很短，可以用來觀察更小的樣品。
  • 波粒二象性——物質其實是矛盾體
    例如，生活中隨處可見的水波，傳遞聲音的聲波，還有傳遞能量和信息的電磁波等。粒子在日常生活中更為常見。南方人一日三餐碗中的大米飯是粒子形狀，粘在麵包表面的芝麻是粒子形狀，很多水果的種子都是粒子形狀……我們習慣借用宏觀世界的粒子形狀來理解微觀世界的物質。例如，光、電子、原子之類物質，我們喜歡將他們想像成粒子形狀的東西。
  • 光既非粒子亦非波,結束光的波粒二象性世紀之爭
    一直到19世紀，雙方的爭論愈演愈烈，各直提出了更加有力的證明，如光的幹涉現象是對光波動性有力的證明，光電效應也證明了光的粒子性，最後還是愛因斯坦出面做了「和事佬」，以光的波粒二象性結束了這長達幾個世紀的爭論。當然，愛因斯坦也因此獲得了諾貝爾物理獎。