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目标公式:

vmax=2(hf−EA)me,Eγ=hf=hcλfGrenz=EAh,λGrenz=hcEA

适用范围/假设:

  • 爱因斯坦光量子图像:光以一份份光子(每份 Eγ=hf)入射;一个电子吸收一个光子——全有或全无。
  • Ekin=hf−EA 给出的是最大动能(金属表面的电子);来自深处的电子还会因碰撞损失 WS(课本完整写法 hf=Ekin+WA+WS)。
  • 电子速度非相对论(本算例 v∼105 m/s ≪c,用 12mev2 合法)。

用到的公式 ​

公式名称Formelnheft
E=h⋅fPhotonenenergie✅ S. 5 („E=h⋅f")
v=λ⋅f(取 v=c)Wellengeschwindigkeit✅ S. 3 („Wellengeschwindigkeit")
Ekin=mv22kinetische Energie✅ S. 2 („Ekin=mv22")
hf=EA+EkinEinstein-Gleichung(能量账)❌ 不在 Formelnheft——考场需自己写出(能量守恒:收到 = 消耗 + 剩余)
1 eV=1,602⋅10−19 JeV↔J 换算❌ 换算关系不在表中——由 S. 4 的 W=U⋅Q 与 S. 1 的 e 自己得出:1 eV=e⋅1 V
h=6,626⋅10−34 Js;me=9,109⋅10−31 kg;e=1,602⋅10−19 C;c=2,9979⋅108 m/sKonstanten✅ S. 1(常数表)

推导(Schritt für Schritt) ​

  1. 写出单光子能量(普朗克/爱因斯坦:光的能量一份份到来,每份只由频率决定——S. 5):Eγ=h⋅f
  2. 立能量账(爱因斯坦方程)(能量守恒:光子把全部能量一次性交给一个电子;先付材料决定的逸出功 EA 把电子从金属解放出来,剩余变成动能。「收到 = 消耗 + 剩余」):hf=EA+Ekin
  3. 对动能求解(两边减 EA;只有 hf>EA 时才有电子逸出——否则情形 1:无论多亮都打不出电子):Ekin=hf−EA
  4. 代入 Ekin=12mev2 并对 v 求解(S. 2 的动能公式用于逸出电子;两边乘 2me、开方。所得为最大速度——表面电子):12mevmax2=hf−EA⟹vmax=2(hf−EA)me
  5. 极限频率:令 Ekin=0(临界情形 2:光子能量恰好只够付逸出功,电子以 v=0 逸出。hfGrenz=EA 对 f 求解):fGrenz=EAh
  6. 换成极限波长(用 S. 3 的 c=λf 对 λ 求解、代入第 5 步;注意 f<fGrenz⇔λ>λGrenz——波长长于极限波长的光打不出电子):λGrenz=cfGrenz=hcEA
  7. 光子能量 ↔ 波长的通用换算(把 f=c/λ 代入第 1 步——光谱学里最常用的形式):Eγ=hf=hcλ

算例 1 ★:锌的极限频率与极限波长(验算) ​

锌:EA≈4,3 eV。先换单位(eV→J,乘 e):

EA=4,3⋅1,602⋅10−19=6,89⋅10−19 JfGrenz=EAh=6,89⋅10−196,626⋅10−34≈1,04⋅1015 HzλGrenz=cfGrenz=2,9979⋅1081,04⋅1015≈2,9⋅10−7 m≈290 nm ✓

已在紫外区——整个可见光(约 1,6–3,1 eV)都低于 4,3 eV,所以对锌板只有紫外才行(红光再亮也不行)。

算例 2 ★:逸出电子的速度(含 eV↔J 逐步换算) ​

紫外 λ=250 nm 照锌板:

  1. f=cλ=2,9979⋅1082,5⋅10−7=1,20⋅1015 Hz
  2. hf=6,626⋅10−34⋅1,20⋅1015=7,95⋅10−19 J=^7,95⋅10−191,602⋅10−19≈5,0 eV
  3. Ekin=hf−EA=5,0−4,3=0,7 eV;换回 J:Ekin≈0,66 eV⋅1,602⋅10−19=1,06⋅10−19 J
  4. vmax=2⋅1,06⋅10−199,109⋅10−31=2,33⋅1011≈4,8⋅105 ms ✓(与讲义一致;v/c≈0,16%——非相对论近似合法)

算例 3 ★:讲义跃迁算例复算(11,7 → 9,15 eV → ≈490 nm) ​

电子从 E3=11,7 eV 跃回 E1=9,15 eV,放出一个光子:

  1. ΔE=11,7−9,15=2,55 eV=2,55⋅1,602⋅10−19=4,09⋅10−19 J
  2. f=ΔEh=4,09⋅10−196,626⋅10−34≈6,2⋅1014 Hz
  3. λ=cf=2,9979⋅1086,17⋅1014≈4,9⋅10−7 m≈490 nm ✓(精确值 486 nm;讲义用 c≈3⋅108 取整为 490 nm——蓝绿可见光,与 2,55 eV 落在可见区自洽)

变量表 ​

符号含义SI 单位
Eγ单个光子的能量J(常用 eV)
f光的频率Hz = 1/s
λ光的波长m
EA逸出功(材料常数;锌 ≈ 4,3 eV,讲义值)J(常用 eV)
Ekin逸出电子的(最大)动能J(常用 eV)
vmax逸出电子的最大速度m/s
fGrenz极限频率(低于它无电子逸出)Hz
λGrenz极限波长(长于它无电子逸出)m
h普朗克常数 =6,626⋅10−34 Js(Formelnheft S. 1)J·s
me电子质量 =9,109⋅10−31 kg(Formelnheft S. 1)kg
e基本电荷 =1,602⋅10−19 C(Formelnheft S. 1;eV↔J 换算因子)C
c真空光速 =2,9979⋅108 m/s(Formelnheft S. 1)m/s

关联 ​

  • H11——e 的测定;没有 e 就没有 eV↔J 换算。
  • 主题 9 §9.2——讲义口径:经典波动理论的三个错误预言、三种情形表、锌板算例与 WS 追问。
  • 主题 13 §13.2——Hallwachs 学校实验(验电器 + 玻璃板对照)。
  • 主题 9 §9.2 发射与吸收——算例 3 的语境(分立能级与线状光谱)。