光电效应的规律及几个相关概念分析

光电效应的规律及几个相关概念分析“光电效应”的规律及几个相关概念分析重庆市潼南塘坝中学张大洪402678从物理教材上的演示试验〔图1示〕可觉察，当用波长较短的可见光或紫外光照耀到某些金属外表上1时,金属中的电子就会从光束中吸象称作“光电效应”现象。“光电效应”现象从此本文将对几组相关概念作出细致的研析以期对宽阔学生的学习起到事半功倍的作用。“光电效应”定义：在光(包括不行见光)的照射下，从物体放射出电子的现象叫做光电效应。金属板释放的电子称为光电子,光电子在电场作用下在回路中形成的电流称光电流。率或极限波长

，

0 0 0 0才能发生光电效应；〔光电子的产生不超过19s；随入光的频率增大而增大；度与入光的强度成正比。从上可以觉察有以下几组相关概念：“光子”与“光电子”：光子是指在空间传播的光束能量的最小单位，它是一份能量(即能量是不连续的)，光子不带电，是微观领域中一种只含有能量的粒子，且光子的运动质量为mh

、动量为

pmc

hh

，光子的静止质量为 c2 c2

c 0；而光电子是金属外表受到光照时放射出来的电子，因此其本质就是电子〔带电q1.61019C，静止质量m9.11031kg．“光子的能量”与“入射光的强度”：光子的能量是一份一份的，频率为的光子的能量为hhc，故光子的能量只由其频率〔或波长〕大小打算而入射光的强度P将“光的能流密度I——单位时间内通过单位面积的某一频率的光子数N”打算，且INh ，那么入射光的强度PIsNhs〔式中s为被光束照耀的金属外表的面积——即某一给定面积，且Ns为单位时间内到达金属外表——“即单位时间内通过给定面积”的光子数，故入射光的强度必由单位时间到达金属外表——“即单位时间内通过给定面光子理论当金属中一个自由电子从入射光中吸hhc,假设hhc 大于电子从金属外表逸出时所需的逸出功W,这个电子就从金属中逸出。“光电子的最大初动能”与“光电子的动能”：光照耀到金属时电子吸取一个光子的能量hν 后就可能向各个方向运动一局部消耗于抑制核的引力及其它原子阻碍做功剩余局部转化为初动能只有从金属外表逸出的电子抑制阻力做功最小故其具有的初动能最大其值为E=hν -WWkmE<E．k km最大初动能的测定方法：实2GV

U 甲0甲 m、e图2 乙中的读数就是图乙中的U。设光电子的最大初动能为12

mv2

，假设光电子置于图2匀强电场中，则光电子作匀减速直线运动。在电子运动的位移上，设电势差为U0

12

mv2Ue0

,电场对光电子做负功，光电子的动能将变为零,所以Ue0就代表光电子的最大初动能；依据爱因斯坦光电方程12

mv2m

hW 或EKm

hW

可得到光电子从金属外表逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系，当入射光的频率时不管照耀光的强0度多大金属也不会产生光电效应。“光电流”与“饱和光电流”：正向电压与反向电压：在图2甲电路中让单色光照耀高电势K板时， 图3光电效应所逸出的电子将被K、A间的电场阻碍而向A极作减速运动，将此时加于K、A间的电压称作反向电压在图3示电路中让单色光照耀低电势K板时，光电效应所逸出的电子将被K、A间的电场加速而向A极运动将此时加于KA间的电压称作正向电压；K、A间加上正向电压或反向电压时，K板在光照下产生光电效应发出的光电子均可能运动到达A板而在电路中形成电流，即G表均有示数，故将此电流称作光电流；在K板金属及入射光的频率、强度均保持不变时，电路中的光电流强度的大小〔G表示数〕将随压K率及KA间电压〔含正向电压与反向电压〕不因而到达A强度也越大。在K板金属及入射光的频率、强度均保持不变时，K板在光的照耀下单出金属后的不同光电子运动方向及具有的动能阳极A，正向电压U较小时只有局部光电子能运动到阳极A电压的增大将使而多的光电子能加速运动到AU比较大使得从K动到A极时，电路中的光电流即到达了最大值，这时即使再增大正向电压U，在单位时间内也不可能有更多的光电子定向移动A此时的电流称作饱和光电流Im肯定频率与强度的光照耀下的最大光电流。在K板金属、入射光的频率及K、A间正向电压不变到达A从金属逸出的光电子数目必与肯定频率入射光可得饱和光电流的大小为

q ent 〔秒发出的光电子个数。

I en m t t金属的极限频率、极限波长、逸出功金属的逸出功W：金属中的电子能从该金属逸同；金属的极限频率〔或极限波长生光电效应的入射光最小频率〔或最大波长〔或波长，其值为0

W〔或h

hcW〔或极限波长〕是肯定的。U6、遏止电压：假设使上图甲中K、A间的反向UaK外表释放出的具有最大初动能的电子恰好不能到达阳极A的光电流便降为零，此时在K、A间所加的反向电压叫遏止电压U

1m

2eU

a 2m a12

mv2m

可见遏止电压

与入射光Ua的频率成线性关系而与入射光的强度无关。1、3到不同电流I——电压U关系；假设转变照耀光频率ν可得到光电子最大初动能E 与照耀光频率k0的关系；截止电压Uc＝-0.38V，当用波长为5×10-7m的光照耀时试求：(1)光电子的最大初动能；(2)阴极材料的逸出功；(3)阴极材料的极限频率.〔1〕依据遏止电压U

定义与计算a

可得光电子的最大初动能为m aE eU 0.38eV6.081020Jk0 c〔2〕hc

1mv22 m

hW

h

3.981019J2.49eV因而阴极材料的逸出功为

Wh

1mv22

2.11eV由极限频率定义0

W5.11014Hzh2、用某种单色光照耀某种金属外表并发生光电效应，现将该单色光的光强减弱则：A．光电子的最大初动能不变B．光电子的最大初动能削减2、C．单位时间内产生的光电子数削减D．可能不发生光电效应【解析】选A、C．该单色光照耀某种金属12

mv2m

hW

得入射光频率不变时间电子的最的光电子数也必削减．3、在距离功率P=1W的点光源3、 薄片 r 0.5 1010m面积范围内收集能光子量，钾的逸出功为w1.8eV

(1)依据经典电磁理论计算电子从被照耀到逸出需要多长时间？(2)假设光源发出波长为589.3nm到钾片单位面积上有多少光子.(1)3m

处的球面单位面积的功率为

P

，故钾薄片上半径r 的圆面积内的光照功率是P

r2

P(0.51010m)21W71023W4(3m)2子所吸取,那么可以计算出光从开头照耀到电子逸出外表所需的时间为：t

P 71023W

4000s。(2)依据光子理论波长为589.3nm的每一个光子的能量为

hc6.6134J1813.119J2.eV

589.19m打在距光源3m的钾片单位面积上的能量为IP 1.W 0.8122)5.116eV2)4d2 4(3m)2钾片单位面积上有多少光子NI

2.1eV

(m2s)p例4如下图阴极K由极限波长p=0.660

的金属制成，假设闭合电键用波长m=0.50

的绿光照耀阴极K，将滑动片C缓慢向mb移动中觉察电流表示数最终为0.64A(1)每秒阴极放射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．(2)假设将照耀阴极绿光的光强〔入射光的强度〕增大为原来的2倍，每秒阴极放射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．【解析】(1)由图知当滑动片C滑到滑片P即到达饱和值

0.64A ，故由电流强度定义I qentenm t t

则此时每秒放射的光电子个数为nIm

0.64106 4.01012

个；依据光电效应方程知光电e 1.61019子的最大初动能：

E hWhck0

hc0

9.91020J(2)由于照耀光的频率不变由12

mv2m

得光电子的最大初动能不变仍为Ek0

9.91020J

；只将光强加倍则每秒内放射的光电子数也加倍，故饱和光电流I qentenm t t

2放射的光电子个数也增大为原来的2倍即n/2n8.01012【06江苏.6】争论光电效应规律的试验装的光照耀光电