光電效應
把光照在金屬表面上，在適當的條件下，它會射出電子——這是古典物理學在試圖解釋時顯得異常棘手的一個結果。十九世紀的波動理論預測，較暗的光應該仍然能夠射出電子，只是速度較慢，只要有足夠的時間累積能量。真實的實驗卻顯示出相反的結果：低於某個明確的截止頻率時，無論強度多高、等待多久，都不會產生哪怕一個電子；而在這個頻率以上，即使是最微弱的光也會立刻射出電子。愛因斯坦在1905年給出的解釋——光本身是以一份份離散的能量包到達的，後來被稱為光子——解開了這個謎團，並成為量子力學的奠基性成果之一，他也因此獲得了1921年諾貝爾物理學獎。
光照射到金屬上時，並不是像平滑的波那樣傳播，而是以被稱為光子的微小能量包形式到達，每個光子都攜帶固定大小的能量。只有當單個光子的能量至少等於金屬的逸出功——也就是通常將電子束縛在金屬中的能量時，電子才能掙脫金屬逃逸出來。剩餘的能量則轉化為電子飛出時的動能。
公式
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — 最大動能 (eV): 被擊出的電子所攜帶的最大能量
- h — 普朗克常量 (eV·s): 將光子的頻率與其能量聯絡起來的微小常量
- f — 頻率 (Hz): 每秒到達的光波數量
- φ — 逸出功 (eV): 使電子從金屬中掙脫出來所需的最小能量
解題示例
一個光子照射到鈉表面，攜帶 3.1 eV 的能量。鈉的逸出功為 2.1 eV。被擊出的電子的最大動能是多少？
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
自我檢測
現在換用一個頻率更高的光源，向同一鈉表面提供能量為 3.6 eV 的光子(逸出功仍為 2.1 eV)。新的最大動能是多少？
- 5.7 eV
- 正確答案: 1.5 eV
- 1.0 eV
答對了！KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV。
假設光子的能量 hf 小於金屬的逸出功 φ，會發生什麼？
- 電子被擊出，但速度較慢
- 電子被擊出，但動能為負
- 正確答案: 根本沒有電子逃逸出來
正確——當能量低於逸出功時，單個光子無法提供足夠的能量，因此無論光有多強，都不會有電子逃逸出來。
在哪裡能看到
屋頂上的太陽能板，正是這個效應在「工作謀生」：陽光的光子打在矽上，每個光子最多打出一個電子，而這些被釋放的電子流出來就成了電流。會感應天色變暗的自動路燈和老式光電管自動門，靠的也是同一套「一個光子換一個電子」的交易。
常見誤解
最典型的錯誤，是以為光越亮、電子就會被彈得越有力——強度只會產生「更多」電子；每個電子的能量只取決於光子的頻率，遵循 KEₘₐₓ = h · f − φ。而在低限頻率以下，無論光束多亮都不會發生任何事：動能不可能是負的，所以若 hf 小於逸出功 φ，就完全不會有電子逸出。頻率高於低限時，做減法就對了：3.6 eV 的光子打在鈉上（φ = 2.1 eV），會擊出動能 1.5 eV 的電子。
關聯知識
這是古典物理的第一道裂縫——光以粒子的方式行為——也是通往整個近代物理單元的大門：下一課的康普頓散射會展示這些光子像撞球一樣帶著動量，而最終以物質波作結的波粒二象性，正是從這裡開始的。