光电效应
照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这就是光电效应。它有四条实验规律：入射光的频率必须大于金属的截止频率 νc，否则光再强也没有光电子；光电子的最大初动能（遏止电压 Uc）随频率增大而增大，与光强无关；频率一定时，光越强，饱和电流越大；光电效应几乎是瞬时发生的。爱因斯坦用光子说解释了这些规律：一个电子只吸收一个光子的能量 hν，克服逸出功 W₀ 后逸出，Ekmax = hν − W₀。
从锌板与验电器说起
把一块擦得很亮的锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，验电器的金箔（指针）张开，检验发现锌板带了正电——紫外线把锌板中的电子打了出来，这种电子叫光电子。如果在灯和锌板之间插一块普通玻璃板（玻璃能挡住紫外线），验电器就不再张开；换成很强的白光照射，也打不出电子。这说明能否发生光电效应，关键不在光的强弱，而在光的“种类”——频率。
例：紫外线灯的波长 λ = 254 nm，光子能量 hν = hc/λ ≈ 7.83×10⁻¹⁹ J ≈ 4.89 eV，大于锌的逸出功 3.34 eV；而可见光中频率最高的紫光（380 nm）光子能量只有约 3.27 eV，小于锌的逸出功，所以白光再强也不行。换成逸出功只有 2.29 eV 的钠，可见光就能打出电子。
光电管实验：四条规律
光电管中的阴极 K 受到光照射发出光电子，阳极 A 收集光电子。电源可以换向：A 接正极时加的是正向电压，电场使光电子加速飞向 A；A 接负极时加的是反向电压，光电子要克服电场力做功。微安表测光电流，电压表测 UAK。
- 存在截止频率：每种金属都有一个截止频率 νc，入射光频率低于 νc 时，无论光多强、照多久都没有光电流。
- 存在遏止电压：加反向电压时光电流减小，反向电压达到 Uc 时光电流为零，eUc = Ekmax。Uc 只与入射光频率（和金属）有关，与光强无关。
- 存在饱和电流：正向电压增大到一定值后，光电子全部到达阳极，电流不再增大。频率一定时，光越强，饱和电流越大。
- 瞬时性：光照射到金属上，几乎立即（不超过 10⁻⁹ s）就产生光电流，与光的强弱无关。
按照经典的光的电磁理论，光越强，电子获得的能量越多，任何频率的光只要足够强、照射时间足够长都应能打出电子，光电子的初动能也应随光强增大——这些都与实验矛盾。
光子说与爱因斯坦光电效应方程
1905 年爱因斯坦提出：光本身是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为 ν 的光的能量子为 hν，后来称为光子。金属中的电子一次吸收一个光子，获得能量 hν，其中一部分用于克服金属的束缚（逸出功 W₀），剩下的成为逸出后的动能。表面附近的电子损失最少，动能最大：
Ekmax = hν − W₀ νc = W₀/h eUc = Ekmax
例：用波长 400 nm 的紫光照射钠（W₀ = 2.29 eV），ν = c/λ = 7.5×10¹⁴ Hz，hν = 4.97×10⁻¹⁹ J ≈ 3.11 eV，Ekmax ≈ 0.82 eV，遏止电压 Uc ≈ 0.82 V；钠的截止频率 νc = W₀/h ≈ 5.53×10¹⁴ Hz，对应波长约 543 nm，所以红光、黄光照射钠都不能发生光电效应。
Ek-ν 图像是一条不过原点的直线，斜率为 h，横截距为 νc，纵截距为 −W₀；不同金属的图线互相平行。1916 年密立根测量了不同频率下的遏止电压，Uc-ν 图线的斜率 h/e 与普朗克常量吻合，证实了光电效应方程。光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，而干涉、衍射说明光具有波动性——光具有波粒二象性。
几种金属的逸出功（截止频率和截止波长按 νc = W₀/h、λc = c/νc 计算，与教材表格可能相差一点）：
| 金属 | 逸出功 W₀ / eV | 截止频率 νc / 10¹⁴ Hz | 截止波长 λc / nm |
|---|---|---|---|
| 铷 | 2.13 | 5.14 | 584 |
| 钾 | 2.25 | 5.43 | 553 |
| 钠 | 2.29 | 5.53 | 543 |
| 钙 | 3.20 | 7.72 | 388 |
| 锌 | 3.34 | 8.06 | 372 |
| 钨 | 4.54 | 10.96 | 274 |
| 改变的量 | 遏止电压 Uc（Ekmax） | 饱和电流 Is | I-U 图像 |
|---|---|---|---|
| 频率不变，光强增大 | 不变 | 增大 | 与横轴交于同一点，饱和值更高 |
| 光强不变，频率增大 | 增大 | 取决于光子数 | 与横轴交点左移 |
| 换逸出功更大的金属 | 减小（可能不发生） | — | 与横轴交点右移 |
| 频率低于截止频率 | — | 0 | 没有光电流 |
用这个模型做实验
- 在「锌板与验电器」里用紫外线灯照射锌板，看光子打出电子、锌板带正电、验电器张开；勾选“插入玻璃板”，张角不再变化。点「接地放电」后换成白光灯，把光强调到最大，验电器始终闭合；再把金属换成钠，白光也能打出电子。
- 点「让板先带负电」再用紫外线照射，验电器的张角先变小、闭合，再重新张开（带正电）。
- 到「光电管 I-U」，在 I-U 图上从右向左拖动电压：正向电压下电流饱和，减小到 0 时仍有电流，加反向电压后电流减小，到 −Uc 时为零。点「U = −Uc」直接到遏止点，看管中的电子全部折返。
- 点「同频率不同光强」，两条曲线在横轴上交于同一点（Uc 相同），饱和电流不同；点「不同频率」，频率高的曲线与横轴的交点更靠左；点「不同金属」，看同一种光照射不同金属时的遏止电压。
- 把入射光换成红光或黄光，钠不再发出光电子，把光强调到 100% 也没有用；关灯再开灯，看光电流立即出现（瞬时性）。
- 到「Ek-ν 图像」拖动频率，看左侧能量示意图中光子能量 hν 被分成 W₀ 和 Ekmax 两部分；对照右侧几条平行的直线读出各金属的截止频率，切换到 Uc-ν 看斜率 h/e。
常见问题
为什么频率低于截止频率的光，再强也打不出光电子？
光是由一份一份的光子组成的，每个光子的能量 ε = hν 只由频率决定。金属中的一个电子一次只能吸收一个光子，如果 hν 小于逸出功 W₀，电子得到的能量不够挣脱金属，很快又以热的形式散失，不会积累。光强大只是光子数多，每个光子的能量并没有变大，所以照得再强、再久也打不出电子。能打出电子的最低频率叫截止频率（极限频率），νc = W₀/h。
遏止电压由什么决定？与光强有关吗？
在光电管两端加反向电压，光电子要克服电场力做功。当反向电压增大到使动能最大的光电子也恰好到不了阳极时，光电流为零，这个电压叫遏止电压 Uc，满足 eUc = Ekmax = hν − W₀。所以遏止电压只由入射光的频率和阴极材料决定，频率越高 Uc 越大，与光强无关。在 I-U 图像上，同频率不同光强的曲线与横轴交于同一点。
饱和电流由什么决定？为什么光越强饱和电流越大？
正向电压足够大时，阴极发出的光电子全部到达阳极，电流不再随电压增大，这就是饱和电流 Is = ne（n 为单位时间发出的光电子数）。入射光的频率一定时，光越强，单位时间入射的光子越多，打出的光电子越多，饱和电流越大。这个模型中光强按单位时间入射的光子数计，所以改变频率不改变饱和电流。
电压 UAK 为零时，为什么还有光电流？
光电子离开阴极时具有初动能，即使阴极与阳极之间没有电压，也有一部分光电子能自己飞到阳极，形成电流。要让电流为零，必须加反向电压，并且反向电压至少等于遏止电压 Uc。所以 I-U 曲线与纵轴的交点不在原点，与横轴的交点在 U = −Uc 处。
光电效应方程 Ek = hν − W₀ 中，为什么 Ek 是“最大”初动能？
逸出功 W₀ 是使电子脱离金属所需做功的最小值，对应金属表面附近、最容易逸出的电子。金属内部的电子吸收同样的光子后，在逸出过程中还要损失更多能量，逸出后的动能比 hν − W₀ 小。所以光电子的初动能有大有小，hν − W₀ 是其中的最大值。
Ek-ν 图像和 Uc-ν 图像的斜率、截距各表示什么？
由 Ekmax = hν − W₀，Ek-ν 图像是一条直线：斜率为普朗克常量 h，横轴截距为截止频率 νc，纵轴截距（反向延长线）为 −W₀。不同金属的图线互相平行，逸出功越大的越靠右。由 Uc = (h/e)ν − W₀/e，Uc-ν 图像的斜率为 h/e，横截距同样是 νc。1916 年密立根就是通过测量不同频率下的遏止电压，由图线斜率求出普朗克常量 h，验证了爱因斯坦的光电效应方程。
适用课程
人教版高中物理选择性必修第三册第四章《原子结构和波粒二象性》第 2 节“光电效应”（第 1 节“普朗克黑体辐射理论”中的能量子 ε = hν 是基础）。常见题型有“判断能否发生光电效应”“由波长求光子能量、最大初动能和遏止电压”“分析 I-U 图像中频率、光强对遏止电压和饱和电流的影响”“由 Ek-ν 或 Uc-ν 图像求逸出功、截止频率和普朗克常量”“光电管电路中电源正负极与正向、反向电压的判断”等。