普朗克在西元1900年提出量子論 對於本人而言 也未能立即接受量子論的說法 他說對當時的結果感到絕望 並已準備好放棄所有已知的物理學 但是普朗克對數學邏輯的信念 最終還是令他接受量子論的內容 緊接著在西元1905年 愛因斯坦以量子論為基礎 提出光子假說 原本在理論中的光量子 逐漸被光子所代替 在光子假說中的光電方程式 充分解釋了光電效應的性質 方程式內涵為光子能量與頻率成正比 在光電效應中 一個光子會與一個電子產生交互作用 若電子吸收光子 以克服功函數離開金屬束縛 並具備動能 我們可以藉由實驗中的底限頻率 得到金屬的功函數 而利用截止電壓 來觀察電子的最大動能 在當時的時空背景 其實還有很多人不能夠接受量子論的說法 例如密立坎 密立坎不認同愛因斯坦的光子理論 他企圖以精確的實驗數據 來駁倒愛因斯坦的理論 密立坎對光電效應 進行了前後長達10年的實驗研究 密立坎在1916年發表他的實驗結果 圖中橫軸為照射光的頻率 縱軸為截止電壓 同一材料的實驗數據可以成一斜直線 若我們將光電方程式進行移項整理後 可以發現 如果利用不同頻率的單色光 照射同一金屬靶材 測量其截止電壓位置關係圖 其斜率即為e分之h 對比密立坎的實驗圖可以發現 數據點幾乎完全符合愛因斯坦光電方程式 直線在橫軸上的截距 恰為底限頻率 推得鉀的功函數外 還可以從其斜率推得普朗克常數 密立坎由此實驗所得的普朗克常數 幾乎和普朗克由黑體輻射所得的相同 密立坎並不因此就相信光電效應的內容 如果直線方程式是正確的 理論上不管靶材的種類 應該都會得到相同的斜率 因此他又嘗試了更多的材料 得到畫面中的關係圖 很明顯的 不同的金屬都有相同的斜率 也就是說 密立坎間接證明了 愛因斯坦光電方程式的正確性 由於愛因斯坦解開了光電效應的困惑 在1921年獲頒諾貝爾物理獎 而密立坎也由於油滴實驗 和光電效應實驗上的成就 獲得1923年諾貝爾物理獎 然而 光同時兼具波動和粒子性質的複雜現象 仍是如此令人費解 也引導後來的物理學家 發展出一套完備的量子理論 來描述光 甚至一般物質的波粒二象性 奠定了20世紀科學飛速進展的基礎 而光子的概念不只是科學上的突破 也有許多實際的應用 如便利商店自動門的感應 數位相機的感光元件 太陽能電池等 這些裝置是如何應用光電效應的呢？ 主要由四個部分構成裝置 分別是光照靶材激發電子 接著利用電子電路放大訊號 再控制、記錄、分析 儲存或顯示其訊號 最後製作成裝置 在第一階段的激發電子部分 並非要和實驗完全相同 也就是說 金屬內的電子受到光子的作用 不一定要離開金屬表面的束縛 實際上 光電效應除了前述有提及的現象外 還有延伸出內光電效應 與一般光電效應不同的是 內光電效應指的是 光子的能量不足以產生光電子 但仍可讓靶材的電子吸收能量後 使靶材本身的物理性質產生改變 例如導電性 只要是電子受到光子作用 並如同光子假說描述的 入射光頻率影響光子給予電子的能量 入射光強度影響光子的數目 便為光電效應 以常見的光敏電阻為例 光敏電阻指的是會因為光照的強度 影響其電子元件的電阻大小 其運作原理便為內光電效應 當光線照射到光敏電阻時 電阻內原本穩定的電子 得到光子的能量後 變成自由電子 當自由電子越多 電阻也會跟著降低 也就是說 當光線越強 則電阻越低 這即是光敏電阻 另外一個常見的光電效應應用 為CCD 電荷耦合元件 俗稱感光元件 常見於手機或相機 是攝影系統中可記錄光線變化的半導體 通常以百萬像素為單位 CCD通常由三個部分所構成 最上層為增光鏡片 通常為凸透鏡 用來聚焦光線以增強感光效能 中間是濾色網格 最底層便是感應電容 基本上 每一個像素都是由四個網格所組成 會根據這四個網格所透過去的紅、綠、藍 三種顏色強度 混合成一個像素的顏色 每個顏色網格下層都有感光電容 根據光照的強度 累積相對應的電子數 就像光子假說理論中提到 一個光子對應一個電子 光強度越強 光子數目越多 對應產生的電子就越多 因此光強度越強 電容累積的電子數越多 每一個網格的電子數 會先逐步送到側邊 然後逐一記錄其電子數 便可以轉換排列成平面的電子數的分布 及強度分布 加上網格的顏色 就可以記錄各點的顏色與亮度 CCD以及更進一步的感光元件CMOS的發明 讓我們可以不用底片 肆無忌憚地記錄我們想要留下的畫面 大大影響了我們的數位生活 我們來思考一下這個問題 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 光電方程式與各種物理量的關係式 如畫面所示 截止電壓與頻率關係圖的含義 不論金屬種類 斜率皆為e分之h 直線與f軸的交點 即為底限頻率f0 光電效應的應用有 光敏電阻、感光元件 太陽能發電板、CCD等 光電效應的應用遠遠不止有這些 你還知道哪些光電效應的應用嗎？ 尤其在醫學方面 也廣泛使用在癌症治療哦 可以搜尋看看有關的資料 我們下次見囉 Bye bye