光電效應

光電效應（粵拼：gwong1 din6 haau6 jing3；英文：photoelectric effect）係一種物理現象，指電磁波（例如紅外線或者 UV 呀噉）射落去一嚿材料－通常係一嚿固體嘅金屬－嘅表面度嗰陣，嚿材料裡面嘅電子有可能會被釋放出嚟，駁落電路度嘅話仲會產生電流。

光電效應嘅抽象圖解；紫色箭咀表示電磁波，個長方形表示嚿金屬，而由長方形度飛緊出嚟嗰啲圓形表示電子。

光電效應喺現代物理上好出名：光電效應係喺 1887 年被發現嘅；打後愛因斯坦喺 1905 年提出證據，用光電效應實驗嚟引證「光有粒子噉嘅特性，唔淨只係一股股電磁波咁簡單」呢個諗頭，而呢個諗頭係量子力學（現代物理其中一條支柱）最緊要嘅基本概念之一。

篇文跟住嘅內容，假設讀者已經識嗮古典電磁學同原子論嗰啲基本概念。

實驗佈置

睇埋：古典電磁學同電磁波

世上首次展現光電效應，係德國物理學家亨利希赫茲喺 1887 年做嘅一場實驗：到咗 19 世紀尾，科學界已經知某啲金屬對光噉嘅電磁波敏感，畀光射到嗰陣會有電子由嚿金屬嘅表面度射出嚟。

噉想像家吓將嚿噉嘅金屬駁住咗條電路（睇下圖幅抽象圖解），當中

• 發射極係射電子嗰嚿金屬；
• 光電子係發射極因為界光射到而射出嚟嘅電子；
• 符號 A 係量度股電流有幾勁嘅架生；
• 符號 V 係量度股電壓有幾勁嘅架生；
• 可變電源係一個可以施加研究者指定嘅電壓（$V_{c}$）嘅嘢（簡單嘅可以想像一嚿電芯）；

設 $V_{c}$ 做可變電源施嘅電壓。而家暫且將 $V_{c}$ 設做 0，再將束光射落去發射極嗰度。電子係帶電荷嘅粒子，古典電磁學上已知，帶電荷嘅嘢流動就會有電流；而靠 A 同 V 可以睇到，噉嘅實驗佈置的確會引致條電路有股電流出現－呢種現象就係所謂嘅光電效應。

停止電壓

停止電壓嘅抽象圖解；下圖幅圖 Y 軸係 $i$ 而 X 軸係 $V_{c}$。X 軸正向表示「同 $i$ 相同嘅方向」。

睇埋：電壓同強度 (物理學)

物理學家一深入啲剖析光電效應實驗睇到嘅嘢，就發覺有啲唔對路。

首先，諗吓停止電壓（$V_{o}$）嘅概念：想像依家設低咗光電效應實驗而 $V_{c}=0$，條電路度會有一股有返咁上下強嘅電流（$i$）存在；跟住實驗者可以郁手提升 $V_{c}$ 嘅數值，將 $V_{c}$ 設成同 $i$ 方向相反－由古典電磁學對電流同電壓嘅分析度已知，如果一股電流要抵抗一股相反方向嘅電壓，股電流就會變弱。隨住 $V_{c}$ 數值升，$i$ 數值會跌，而 $V$ 數值去到某個點，$i$ 就變咗 0－呢點嗰個 $V_{c}$ 值就係所謂嘅 $V_{o}$，反映啲電子帶有幾多能量（要施幾多電壓先可以令啲電子冇嗮能量，唔再流動）。噉設

• $I$ 做束光嘅強度（詳情可以睇埋波動等嘅概念）；
• $f$ 做束光嘅頻率；

對於光電效應實驗，用古典物理嘅角度嚟諗解釋就係（簡化噉講）

「

一粒電子掙脫到原子核，表示實係有啲嘢畀咗能量落佢度；喺場實驗當中，電子嘅能量來源應該係射落去嚿金屬度嘅嗰束光。

」

不過實驗結果發現到啲古典物理解釋唔到嘅嘢：

• $V_{o}$ 同 $f$ 有關－如果 $f$ 低過某個特定嘅數值（門檻值 / $f_{t}$），無論 $I$ 幾高，$i=0$；
• $V_{o}$ 同 $I$ 冇啦掕；

由古典物理嘅角度睇，噉嘅發現好怪異：根據古典物理，好似光噉嘅電磁波係一股股嘅連續嘅波動，帶有能量；而原則上，$I$ 反映束光帶有幾多能量，所以理應會左右到每粒電子吸到幾多能量，亦因此理應會影響到 $V_{o}$－但正如頭先提到，實質睇到嘅結果係 $V_{o}$ 同 $I$ 冇啦掕。噉就表示，古典物理做嘅預測錯誤。

光子概念

睇埋：量子力學同光子

為咗解答光電效應嘅問題，有新進物理學家－當中最出名嘅係歐拔·愛因斯坦－就提出咗一個喺當時好革命性嘅諗頭：

「

光呢家嘢好似原子等嘅粒子噉，係一嚿嚿嘅，係所謂嘅光子。 光子係一粒粒、冇得砍件嘅，而一條光束入面每『件』能量嘅大細同 $f$ 成正比。

」

愛因斯坦仲有條式，計到一粒光子嘅能量（$E$）同佢個頻率之間嘅關係：

$E=h\nu$；$[1]$

喺條式入面，$\nu$ 係粒光子嘅頻率，而 $h$ 係普朗克常數。根據愛因斯坦嘅諗法，如果 $\nu$ 令到 $E$ 超過咗個門檻值，噉粒光子撞落去屬於嚿金屬嘅一粒電子度嗰陣，會將佢嘅能量傳畀嗰粒電子，令到嗰粒電子成功噉擺脫佢所屬嗰粒原子飛出嚟。即係話：

$h\nu =E_{\mbox{w}}+{\frac {1}{2}}mv^{2}$；$[2]$

條式入面左邊嗰橛係「粒光子帶嘅能量」，而右邊嗰橛就係「一粒電子要擺脫嚿金屬所需嘅能量」（$E_{\mbox{w}}$）加埋「佢飛咗出嚟後帶有嘅動能」（${\frac {1}{2}}mv^{2}$）。將 $[2]$ 執吓嘅話會出：

$h\nu -E_{\mbox{w}}={\frac {1}{2}}mv^{2}$；$[3]$

根據愛因斯坦嘅諗法，如果 $\nu <f_{t}$，每粒光子帶嘅能量就過唔到 $E_{\mbox{w}}$，噉佢撞落粒電子度嗰陣，粒電子擺脫唔到嚿金屬。當 $V_{c}=V_{o}$，啲電流會冇嗮，即係話啲電子粒粒都淨係得足夠嘅能量擺脫嚿金屬，但冇能力郁同產生電流，噉即係話：

${\frac {1}{2}}mv^{2}=V_{o}e$；$[4]$

跟住再執吓啲式：

$h\nu -E_{\mbox{w}}=V_{o}e$；$[5]$

即係話如果 $\nu$、$E_{\mbox{w}}$ 等係已知嘅數值，噉呢條式可以計到相應嘅 $V_{o}$。由呢度睇得出，愛因斯坦嘅假說可以做到有得用實驗驗證嘅預測。

「光子」嘅概念影響深遠：最後啲實驗結果係撐咗愛因斯坦個諗法；「光子」呢個概念係量子力學嘅根基之一，而量子力學係現代物理其中一條支柱，廣泛噉畀廿一世紀初嘅物理學家攞嚟了解物質同光响原子同次原子尺度下嘅行為。打後愛因斯坦仲因為佢呢個發現而攞到 1921 年嘅諾貝爾物理學獎。

睇埋

• 量子力學
• 雙罅實驗
• 光化學
• 離子化