關於此實驗
光照射到潔淨的金屬上時，可以將電子從表面擊出。愛因斯坦在 1905 年解釋了這一現象，其中令人意外的是，決定現象是否發生的是光的顏色，而不是亮度。光以稱為光子的粒子形式到達，每個光子都具有 hf 的能量。只有當光子的能量大於金屬的逸出功時，它才能釋放一個電子；剩餘的能量則轉化為電子的動能。改變波長、亮度、金屬和電壓，並測量截止電壓，親自求出普朗克常數。
學習目標
- 描述光電效應和截止頻率的概念
- 使用 E = hf，根據頻率或波長求出光子的能量
- 套用光電方程式 K_max = hf - φ
- 解釋為什麼遏止電壓取決於頻率，而不取決於光強
- 解釋為什麼光電效應支持光的光子模型
使用方法
- 1使用鈉和 400 nm 的光觀察電子。現在慢慢增加波長。波長達到多少時電子會停止逸出？
- 2設定一個能使電子逸出的波長，然後改變光強。變化的是電子的數量、速度，還是兩者都會變？
- 3逐漸降低集電極電壓，直到電流恰好為零。將這個遏止電壓與最大動能進行比較。
- 4測量 250、300、350 和 400 nm 下的遏止電壓。將其對頻率作圖，並求出斜率。
- 5切換到「能量與頻率」。為什麼所有直線的斜率都相同？
- 6先用可見光照射鋅，再用紫外線照射。哪些金屬可用於測量可見光的光度計？
模型
假設
- 每個光子最多釋放一個電子；高於閾值的光子中，固定的一小部分會釋放電子，因此飽和電流與光強成正比。
- 逸出電子的動能在0到K_max之間均勻分布，因此隨著遏止電壓增加，電流會呈直線下降。
- 兩塊極板都處於真空中。忽略兩種金屬之間的接觸電位，以及超過飽和後在正電壓下產生的任何電流。
- 功函數是潔淨表面的典型值；實際表面會有零點幾電子伏特的差異。
在課堂上試試這個實驗
- Q1為什麼非常亮的紅燈不能使鋅逸出任何電子，而微弱的紫外燈卻可以？
- Q2波長為 300 nm 的光照射到鈣（φ = 2.87 eV）上，截止電壓是多少？
- Q3如果將光強加倍，飽和電流和截止電壓會分別如何變化？
- Q4即使光只有一種波長，為什麼電子的動能也不都相同？
- Q5波動模型預測，弱光需要一段時間累積足夠的能量才能使電子逸出。為什麼沒有觀察到這種延遲？
常見問題
什麼是逸出功？
它是將電子從金屬表面拉出所需的最小能量。金屬內部較深處的電子需要更多能量，因此逸出的電子具有一系列動能，最高可達 K_max。
如何用這個實驗求出普朗克常數？
測量幾種波長對應的截止電壓，將波長換算為頻率，並繪製 eV 對 f 的圖線。直線的斜率為 h，約為 4.14 × 10⁻¹⁵ eV s 或 6.63 × 10⁻³⁴ J s。
為什麼所有正電壓下的電流都相同？
集電極帶正電後，所有釋出的電子都會到達集電極，因此電流取決於每秒釋出的電子數量。這個數量取決於光的強度，而不是電壓。