Question

光的电磁理论也可以解释光电效应实验中存在截止频率这一现象吗？

Answer 1

光的电磁理论可以解释许多光的本质和性质,但无法完全解释光电效应实验中存在的截止频率现象。
根据电磁理论,光是一种电磁波,它的能量应与频率成正比。所以,任何频率的光照射到金属上,理论上都可能产生光电效应。但实验发现,当光的频率低于一定值(即截止频率)时,就不会产生光电效应。这显然与电磁理论的预测不符。
这是因为光电效应实验揭示了光的粒子性,即光能量是量子化的,与频率成正比。当光的单个光量子(光子)的能量低于金属的功函数(逸出电子所需要的能量)时,就无法把电子激发出来,不会产生光电效应。这恰恰解释了截止频率的存在。
所以,简言之:
1) 根据电磁理论,光的能量应持续增加与频率成正比,理论上任何频率的光都可能产生光电效应。这无法解释截止频率的存在。
2) 光电效应实验显示光能量是量子化的,一定频率以下的光子能量太小,无法提供电子逸出金属所需要的能量,因而不会产生光电效应。这恰恰解释了截止频率现象。
3) 光的性质既具有波动性(电磁理论),也具有粒子性(光电效应)。电磁理论本身无法完全解释光电效应实验的结果,必须结合光子概念,才能自洽地解释光的各种性质。
所以,总的来说,光的电磁理论虽然可以解释许多光的性质,但无法解释光电效应实验中存在的截止频率现象。必须引入光的量子性,才能充分解释光电效应实验揭示的特征。电磁理论和量子理论是解释光的两个互补的理论框架。