6-2 光電效應
6.2.1 光電效應
當光照射在金屬表面時，可能會使金屬內部的電子吸收光能而脫離金屬表面，這種現象稱為光電效應。被釋放出的電子稱為光電子。
光電效應的主要特性：
- 存在底限頻率：只有當入射光的頻率高於某一特定值（底限頻率）時，才會產生光電子。低於此頻率，無論光的強度多大，都不會有電子逸出。
- 即時性：一旦有合適頻率的光照射，光電子幾乎立即被釋放，沒有可察覺的時間延遲。
- 光電子的動能與頻率相關：光電子的最大動能隨入射光的頻率增加而增加，與光的強度無關。
- 光電流與光強度成正比：在頻率足夠高的情況下，釋放出的光電子數量（即光電流）與入射光的強度成正比。
問題 1：
為什麼在光電效應中，低於底限頻率的光無法釋放光電子？
解題策略：
考慮光子的能量與頻率的關係，以及電子逸出所需的最小能量（逸出功）。
6.2.2 光量子論
古典電磁理論無法解釋光電效應的特性，例如底限頻率的存在和光電子動能與光強度無關等問題。為了解釋這些現象，愛因斯坦於 1905 年提出了光量子論。
主要內容：
- 光是由一個個能量為 E = h × f 的光量子（光子）組成，h 為普朗克常數，f 為光的頻率。
- 光電子的釋放是由單個光子與電子的相互作用完成的。
- 只有當光子的能量大於金屬的逸出功時，電子才能被釋放出來。
光電效應方程式： K
max = h × f - W
- Kmax：光電子的最大動能，單位為焦耳 (J)
- h：普朗克常數，約為 6.626 × 10⁻³⁴ J·s
- f：入射光的頻率，單位為赫茲 (Hz)
- W：金屬的逸出功，單位為焦耳 (J)
問題 2：
根據光量子論，為什麼光電子的最大動能與光強度無關？
解題策略：
思考光強度與光子數量的關係，以及單個光子能量對電子動能的影響。
問題 3：
計算頻率為 1 × 10
15 Hz 的光子，其能量為多少焦耳？（取 h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s）
解題策略：
使用 E = h × f，將 h 和 f 的數值代入計算。
6.2.3 光電效應的應用
光電效應在現代科技中有廣泛的應用，以下是幾個常見的例子：
- 太陽能電池：利用光電效應將光能轉換為電能，是清潔能源的重要來源。
- 感光元件：數位相機和攝影機中的感光元件（如 CCD、CMOS）利用光電效應將光信號轉換為電信號。
- 自動門感應器：利用光電效應檢測有人經過，控制自動門的開啟和關閉。
- 光電倍增管：在粒子物理實驗中，用於檢測微弱的光信號，放大電子訊號。
問題 4：
為什麼太陽能電池能夠將光能轉換為電能？
解題策略：
回憶光電效應的機制，考慮電子的釋放如何形成電流。
問題 5：
在數位相機中，感光元件如何利用光電效應進行成像？
解題策略：
思考光電效應如何將光信號轉變為電信號，進而形成影像。