2012年3月15日 星期四

愛因斯坦的光電效應 Einstein's photoelectric effect

化學原理啟迪296
1.        愛因斯坦用他的原子理論知識,在普朗克之後提出新的理論。愛因斯坦主張,電磁輻射是量化的quantized。愛因斯坦說,電磁輻射可看成粒子流,這些能量粒子現在被稱為光子photons
2.        每一個「光子」的能量(應該是每單位光子流的能量):
Ephotonhvhc/λ
註:h是普朗克常數;v是輻射的頻率;λ是輻射的波長。hvhc/λ是把電磁輻射波轉化成熱能。
《韋瓦第—四季》
3.        愛因斯坦分析各種現象做出「光電效應photoelectric effect」的結論,光電效應指「光」照射「金屬」,金屬表面會釋放電子的現象,以下是觀察到的『光電效應』特點:
一、   當照射在金屬上的各種光線頻率都無法使金屬釋放電子,代表這些光線的「頻率」低於使金屬放電的門檻-閥值頻率v0
二、   當光的頻率低於閥值頻率v0不論光的強度如何增強,都不會使金屬放電。
三、   當光的頻率高於閥值頻率v0,金屬的放電量隨著「光」的強度增加而增加。
四、   當光的頻率高於閥值頻率v0,金屬放電的動能,與光的頻率成正比,意思是光的頻率增加多少,金屬也同樣比例地增強放電。
4.        這些現象說明,1.電磁輻射是量化的(由光子組成)。2.「頻率閥值」代表推動金屬表面電子所需的最低能量。
推動電子需要的最低能量E0hv0
5.        因為當光線(光子流)的能量低於E0vv0)就沒有辦法推動金屬板的電子流動,所以光的頻率只要低於閥值頻率,照射金屬就不會產生任何電流。
6.        相反地,當光的頻率大於閥值E0vv0,超過推動金屬板的電子所需的能量,多出來的「光能」灌注到電子海身上,成為電子的動能(KE)。
n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles   
徐弘毅:
1.     電磁波是由一個一個完整的週波組成,每種電磁輻射都有各自獨特的固定波長。由此可見,電磁輻射並不是不規則、一團混亂的能量,而是有規則、有最小基本單位的能量,因此愛因斯坦說,電磁輻射是可以量化的。
2.     空間中的「能量」有最小的基本單位,這個觀念跟物質世界是由最小基本單位「原子」所組成是一樣的;我們會依據原子在空間中的密度,將物質分為固態、液態、氣態,對『能量』是不是也可以這樣分類呢?電磁輻射又屬於那一類呢?
3.     愛因斯坦把電磁輻射看成為『粒子流 a stream of particles,他把電磁輻射看成類似流動的液體,而組成的電磁輻射流體的基本單位是「光子」。
4.     就像我們開車到加油站加油,需要知道加的油到底是幾公升,科學家也需要知道電磁輻射每秒的能量是多少。因此愛因斯坦以每秒為單位,測量電磁輻射的能量 Ephotonhvhc/λ
註:h是普朗克常數;v是輻射的頻率;λ是輻射的波長。愛因斯坦把一秒內通過的電磁輻射波,利用普朗克常數,換算成「熱能」。
5.     Steven S. Zumdahl認為Ephotonhvhc/λ是一個光子的能量 the energy of each photon,我覺得Ephotonhvhc/λ是一秒內「光子流」的總能量,一秒鐘之內通過的是一大群光子,並不是一顆光子的能量。
6.     這個道理就好像曾文水庫為了調節水量,以每秒700立方公尺速度洩洪,雖然水流源源不絕、不中斷,但這這一秒鐘之內通過的是無數的水分子,不是一顆水分子。
7.     愛因斯坦接著想,光是一種類似流體的電磁輻射,那金屬板內的電子屬於哪種形式呢?應該比較接近固體,因為金屬內的電子被原子核控制,無法太自由移動。
8.     類似流體的電磁輻射「光」要推動類似固體的電子,一定要「流量夠大」才可以成功。因此愛因斯坦認為,光的頻率必須高於閥值頻率v0(最低流量),才有辦法推動金屬的電子,產生電子流(發電)。
9.     流體一定要超過閥值才能推動固體,這個道理就像下毛毛雨時,山坡不會發生土石流;但如果是下豪大雨,水勢又強又大,就十分容易發生土石流
10. 所以愛因斯坦說,「當照射在金屬上的各種光線頻率都無法使金屬釋放電子,代表這些光線頻率低於使金屬放電的門檻-閥值頻率v0」,光的粒子流流量太小,就像是毛毛雨、綿綿細雨、起霧,都沒有辦法推動電子像土石流一樣滑落脫離金屬板。
11. 愛因斯坦說,「當光的頻率低於閥值頻率v0不論光的強度如何增強,都不會使金屬放電」,毛毛雨不管強度多強、多久,都不會造成土石流。
12. 愛因斯坦說,「當光的頻率高於閥值頻率v0,金屬的放電量隨著光的強度增加而增加」,豪雨能沖刷土表,如果豪雨的強度增強,沖刷土表力量也會增加,土石流甚至有可能演變成走山。
13. 愛因斯坦說,「當光的頻率高於閥值頻率v0,金屬放電的動能,與光的頻率成正比」,意思是光的頻率增加多少,金屬也同樣比例地增強放電,光的頻率增加,代表粒子流的強度增強,更有能力沖刷電子離開金屬版的控制。

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