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什麼是光電效應?是什麼決定了光子可以把電子從金屬中踢出來!

光是一種粒子,還是一種波動?物理學家為了這個問題激烈地爭論了好幾個世紀。量子力學以一種不可思議的方式解決了這個爭論:都是。

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​為了理解光的波動性,假想一個電子決定到鐳射束下去做一個日光浴。

鐳射束是穩定、相干、強烈的光束。這裡的要點是,當電子進入鐳射束時,它將被拉著先跑到一邊,然後又被拽到另一邊,以特定的頻率如此來回反覆地

振盪

。這個頻率就是被代入方程E=hv的那一個,(這裡的E是能量,v是頻率,h是因為不確定性原理而引入的布朗克常數)可見光的頻率比10¹⁵次振盪每秒要稍微低一點。

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這個類比很奇特,但它容易給出一個更實際的例子。電磁波和光其實就是一回事,但具有小得多的頻率。FM電臺的頻率大約是10⁸次振盪每秒,或10⁸Hz。一兆赫茲是一百萬赫茲,或10⁶Hz。所以100兆赫茲就是10⁸HZ。這樣101。5兆赫茲就是10⁸多一點點次振盪每秒。一個FM電臺就建在差不多這樣的頻率上。當你調臺時,你調整的就是電路里電子振盪的頻率,要使這個頻率和電臺的頻率對上號。這很像做日光浴的電子,收音機裡的電子沐浴在電波下,吸收照在它身上的無線電波。

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另一個應該會有益的類比是海上的浮標。一般而言,浮標透過鏈條拴在一個位於海底的錨上,這樣它就不會被洋流和海浪衝跑了。浮標浮在水面上,在波浪的作用下上上下下地運動著。這就好比是日光浴下的電子對鐳射束的反應。關於日光浴下的電子實際上還有更多情節:除非它像浮標一樣被什麼東西拴住,否則它最終將沿鐳射束方向被推動。

光又將如何像粒子一樣行為呢?

著名的光電效應實驗給我們提供了證據,光確實是由光子構成的,每一個光子的能量都是E=hv。我們來解釋一下。如果你對著金屬照射光,你能把電子敲出來。利用一個巧妙的實驗裝置,你可以檢測到這些電子甚至還能測量它們的能量。這些測量結果可以這樣解釋。光

由很多

光子構成,這相當於對金屬施加了很多小的打擊,每次打擊相當於光子撞擊到金屬中的一個電子上。

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假如光子有充足的能量,有時,它就能把與之碰撞的電子踢出金屬。根據方程E=hv,更高的頻率意味著更高的能量。我們知道藍光的頻率比紅光高大約35%,這意味著一個藍光子比一個紅光子多35%的能量。假設你用鈉來研究光電效應。實驗告訴我們,紅光的能量不足以把鈉裡面的電子踢出來。甚至更亮的紅光也無法把電子踢出來,我們看不到任何電子。但藍光子,因為它們有更高的能量,足夠把電子從鈉裡面踢出來。甚至非常弱的藍光也能做到這一點。可見問題的關鍵不是光的亮度(和光子的數目無關)而是光的顏色,是光的顏色決定了每個光子的能量。

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能把電子從鈉裡面踢出來的光的最小頻率是5。5×10¹⁴次振盪每秒,即綠光。它對應的能量,利用方程E=hv,就是23電子伏。把電子接到一個伏特的電源上它可以獲得的能量就是1電子伏。所以普朗克常數的數值將是2。3電子伏除以5。5×10¹⁴次振盪每秒。通常將它簡記為4。1×10ˉ¹⁵電子伏·秒。

總結一下,光在很多情況下的行為像波,然後在很多情況下像粒子。這被稱為波粒二象性。根據量子力學,並不僅僅是光才有波粒二象性:萬物皆有。