对光电效应中几个问题的讨论

1、对光电效应中几个问题的讨论光电效应现象，是光具有粒子性的第一个实验证据，在人类对光 的本性熟悉中占有很重要的地位。中学物理中编入这一内容，其目的 在于引入光子概念，为说明光的粒子性提供依据。因限于中学时期物 理知识水平，教材不可能详细论述其产生机理，因此在教学实践中易 产生一些模糊熟悉。本文就下述几个问题谈谈观点，以供参考。一、光电子的产生金属及其化合物在光的照射下释放出电子的现象叫光电效应现象，释 放出来的电子叫光电子。光电效应的实验规律必需用爱因斯坦光子理 论说明。在教学中常常碰到学生提问：吸收光子的电子是金属中的什 么电子？是束缚电子仍是自由电子？那个问题值得考虑。吸收光子的电子应该是金

2、属中的自由电子，而非束缚电子。分析如下, 若是是束缚电子，依照能量守恒定律，其光电效应方程应为：式中W是电子越过金属表面时克服表面势垒所做的功，E是束缚在某 壳层上的电子电离出来所需的能量。事实上，许多金属的逸出功的值 约为一，比E的值要小得多，而和W相当。例如钠的最低电离能约为, 其逸出功约为，如用一的光子入能使葩产生光电效应，而不能使艳的 束缚电子电离。很显然逸出的光电子并非是束缚态的电子。那么电子 克服表面势垒所做的功W与逸出的功的关系如何？在金属表面周围， 由于垂直于表面的晶体周期性中断，作用在表面原子内外双侧的力失 去平稳，相应的电子密度散布也发生转变，通过表面原子和电子自洽 彼此作

3、用，使得表面原子和电子散布趋向新的平稳，在表面区显现电 偶极层，电子穿越该层区逸出表面时要克服电场力做功。此功与逸出 功的值正好相当。由上述可知，光电效应中光电子是金属中自由电子吸收了光子的能量 而产生的。固然，若是光子能量大于原子的电离能，那么束缚电子也 能够成为光电子。由于一般光电效应中入射光子的能量并非很高，因 此不可能使束缚电子逸出。如假设电子能量太高，那么会发生康普顿 效应而非光电效应。因为不同能区的光子与金属发生彼此作历时会产 生不同的效应。当入射光子的能量较低时(hv<)以产生光电效应 为主；入射光子能量很高时(hv>10MeV),光子可产生正负电子对; 入射光子能量

4、介于以上能区之间时，其能量的衰减要紧取决于康普顿 散射。二、金属的极限频率在光电效应实验中，每种金属都存在一个极限频率，当入射光的频率 低于极限频率时，不管入射光多强，都可不能有光电子逸出；只有当 入射光的频率高于极限频率时，金属才会发射光电子，产生光电效应。 上述实验现象能够用光子理论说明。电子由金属逸出，至少需做必然 量的功W,称为此金属的逸出功。光照在金属上。电子一次吸收一个 光子的能量hv。若是hv<W,即没有光电效应。故光子能量应大于 Wo由此可见，金属的极限频率决定于式：hvo=Wo若是电子能够将光子能量积聚起来，即电子吸收一个光子后待一段时 刻再吸收一个光子，或一个电子能同

5、时吸收两个乃至更多个光子，那 么光子理论就无法说明什么缘故会存在极限频率。因为，一个光子的 能量假设小于逸出功，那么多个光子的能量总和能够高于逸出功，因 此不管什么频率的光都能够产生光电效应，不可能显现极限频率。所谓电子积聚能量，是指电子取得一个光子后，将能量保留下来，直 到再吸收一个光子。事实上，当电子吸收光子后，它的能量便高于周 围的电子和原子核而处于非热平稳状态。依照热力学原理，不平稳系 统会通过各类方式趋于平稳，电子便会把所得能量向周围围粒子传递, 实验证明，那个传递时刻超级短，不超过10-8秒。而在这么短的时刻 内电子再吸收一个光子的可能性究竟有多大呢？一样光电效应实验所用的光源是一

6、般光源，一般光源其发光机制以自 发辐射为主，光强较弱。咱们不妨设入射光的强度为100瓦/厘米2（在 一般光源中光强很高了），频率为义1014赫的光在10-8秒内流过每 平方厘米的光子数为：个/厘米2金属原子间距离的数量级为10-8厘米，假设每一个原子提供一个电 子的话，每平方厘米就有1016个电子，以电子能够吸收到一个原子大 小范围内的光子计算，那么吸收到一个光子的概率是而在10-8秒内一个电子持续吸收两个光子的概率是X 10-4）2二X 10-8可见一般光源照射下的双光子吸收概率是超级小的，以致于在实验中 无法观看到。那么，多光子吸收是不是可能发生呢？回答是确信的， 但要在强光下的光电效应中

7、。实验证明，当用激光作光源进行光电效 应时，已经实现了双光子、三光子吸收。多光子吸收在理论上（非线 性光学）己经证明也是能够实现的。因此，关于光电效应所得的实验 规律，专门是每种金属存在极限频率，和爱因斯坦光电效应方程等， 都是在弱光（线性光学）范围内适用，而对强光（非线性光学）那么 不适用。即适用于单光子吸收情形，不适用双光子或多光子吸收情形。 三、光电流与光强在高中物理教材中介绍光电效应规律时，并未对光电流和光强这两个 概念作进一步说明。尤其是光强。实践说明：学生可否全面正确明白 得光电效应规律，正确明白得光电流与光强的概念是关键之一。正因为如此，教学中向学生指明光电子仍是通常意义上的物体

8、内部的 电子，只是由于受光的照射而激发出来才叫光电子。把由光电子在外 电场作用下产生的电流叫光电流。在光电效应实验中，当入射光频率 大于极限频率时，用频率必然，强度不同的光照射，实验取得的是光 电流的最大值（饱和光电流）按正比关系随入射光强度增大而增大。 因此教材中的“光电流强度与入射光的强度成正比”，应明白得为入射 光频率一按时，饱和光电流强度与入射光强度成正比。教材中没有给出入射光强度的概念，咱们能够借鉴声强概念，给光强 下个概念。依照光子的观点，一束光事实上是一群以光速沿着光的传 播方向运动的光子流，每一个光子的能量为hv,因此光强可概念为： 单位时刻里垂直于光的传播方向上的单位面积内通

9、过该面积的光子的 能量总和。由此可知，单色光的光强公式为：I二Nhv。式中N为单位时刻内通过垂直光传播的方向上单位面积上的光子总 数。据此，单色光的光强应由光的频率和光子的发射率两个因素一起 决定的。当光的频率一按时，饱和光电流Im=ne （n为单位时刻内从金属中逸出 的光电子数，e为电子电量）与入射光强度成正比。入射光强度越大, 单位时刻内抵达金属表面的光子数越多，单位时刻内从金属表面逸出 的光电子数就越多。可见单位时刻内从金属逸出的光电子数与入射光 强度成正比。事实上，与入射光强成正比的正是单位时刻内从金属中 逸出的光电子数，而非光电流强度。四、一个中学不宜讨论的问题在许多的资料中常常显现

10、如下问题：用强度相同、频率不同的光别离 照射同一金属，比较相同时刻内逸出的光电子数多少。那个问题在中学不宜比较。前文讲到，光子与电子的作用结果有多种不同情形。例如，用紫光照 射某金属可发生光电效应，如改用同强度的X射线照射，现在要紧表 现为康普顿效应，而光电效应几乎能够忽略。因为X射线光子能量远 大于电子的束缚能，现在电子可视为自由电子，当光子与这种电子作 历时，电子只能取得光子部份能量，变成反冲电子，很难发生光电效 应。在光电效应中，光子激发出光电子有必然的概率（即量子效应），其大 小与入射光子的频率及电子所处的状态有关。金属中的自由电子是处 在周期势场中的近独立粒子，它们遵从费米一狄拉克统计规律，当入 射光子频率高于极限频率时，随着频率的增大，使低于费米能级的