光电效应的规律

　　光电效应是《光的本性》的难点与重点,它的规律是从实验中总结出来的,规律本身十分抽象难懂,加之教材对此介绍颇略,学生在学习和练习中往往会产生一些错误的认识:“频率高,光子能量大,光就强,产生的光电流也强”、“光电子的动能大,电子运动快,光电流就强”、“无论光的频率如何,只要光的强度足够大或照射时间足够长,电子就可以获得足够的能量而产生光电效应”等等。造成以上错误的根本原因除了对“入射光强度”、“光子的能量”、“光电子的最大初动能”、“光电流强度”等概念混淆不清外,更主要的原因是对光电效应产生的机制不甚理解,为此本文就光电效应规律进行一些补充解释,以供参考。

光学与光电技术

　　一、模型建立

　　爱因斯坦假设: 空间传播的光是不连续的,是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量跟光的频率成正比,光不仅在发射或吸收时,而且在传播时具有粒子性;当光射到金属表面时,金属中的一个电子只能吸收一份光子的能量,一个光子的能量也只能传递给—个电子;吸收—份光子能量的电子可向各个方向运动。

　　二、基本规律

　　1、任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率,才能发生光电效应。

　　2、入射光照射到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过s。

　　3、当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度与入射光的强度成正比。

　　4、光电子的最大出动能与入射光的强度无关,只随着入射光的频率的增大而增大。

　　三、规律解释

　　1、在金属表面的电子,脱离金属原子核对它的束缚时而克服原子核对它的引力做功,这个功就叫做金属的逸出功,逸出功是金属内所有不同的电子脱离原子核的引力所做功的最小值。所以,吸收光子的电子至少要能克服金属原子核的引力做功才能从金属表面逃逸出来。金属表面的某个电子吸收一定频率的光子能量后,如果吸收的光子能量不足以克服逸出功,则该电子将吸收的光子能量立即释放出去,而不积累能量,从而不产生光电效应。对不同的金属有不同的逸出功,这就是为什么只有入射光的频率大于金属的极限频率时才能使金属产生光电效应的原因。

　　2、金属表面受光照射后,金属中的电子瞬间可吸收一个光子的全部能量,使其动能迅速增加,而不需要时间的积累,吸收光子的电子动能若足够大时就可以脱离原子核对它的缚束从金属表面逸出而形成光电子。这就是光电效应具有瞬时性的原因。

　　3、“入射光强”指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量。若单位时间内射到金属表面单位面积上的光子数为 ,每个光子的能量为,则光强为。由此可见,入射光强度不仅与入射到金属上的光子数有关,还与入射光的频率有关,强度相同、频率不同的两束入射光,在单位时间内射到金属表面单位面积上的光子数是不同的,入射光的频率越大,光子数就越少,因而从金属表面逸出的光电子数也不同,形成的光电流也就不同。“光电流的强度”是指光电子形成的电流,那么光电流的强度就由在单位时间内从金属表面逸出的光电子数目决定,而单位时间内逸出的光电子数目又由单位时间内光子数目决定(即入射光强度)。当入射光的频率大于金属的极限频率时,照射光的强度越大,即单位时间内射到金属表面的光子数越多,这样就有更多的电子吸收光子从而脱离金属表面形成光电子,光电流的强度也就越大。这便是发生光电效应时光电流的强度取决于入射光强度的原因。

　　4、入射光照射金属时光子的能量全部被金属中的某个电子吸收后,其中一部分能量用来克服金属原子核的引力做功,另一部分便是光电子逸出金属的初动能。若光电子的能量全部被金属表面的某个电子吸收后,除克服金属原子核引力做功(即逸出功)消耗能量外,其余能量就是光电子逸出金属的最大初动能。由能量守恒定律可知:对给定的金属其逸出功是一定的,所以,入射光子的频率越大,光电子的最大初动能也越大。即光电子的最大初动能取决于人射光的频率而与入射光的强度无关。若入射光子的能量恰好等于金属的逸出功,则光电子的初动能为零,入射光的频率就是该金属的极限频率。

　　四、例题分析

　　例1.用同一种单色光,在相同条件下先后照射锌片和银片都能产生光电效应。对于这两个过程,下列四个物理量中,一定相同的是 ,可能相同的是。

　　A.照射光子的能量。 B.光电子逸出时的最大初动能。

　　C.光电子逸出时的动能。 D.光电子逸出时的最大初速度。

　　解析:同一种单色光,光的频率相同,由爱因斯坦的光子说知光子能量 ,因此照射光子能量一定相同,对不同金属而言,它们的逸出功不同,根据光电方程可知,光电子逸出的最大初动能(最大初速度)由金属的逸出功和入射光频率决定,故选项B、D不正确。由于金属电子吸收光子的能量后可向各个方向运动,有的向金属内部运动,并不出来,有的向金属表面运动,经过的路程不同,途中损失的能量也不同,这样光电子有的从金属内部逸出,有的从金属表面逸出,则题目两种情况下逸出电子的动能(即光电子的动能)有可能相同。因此,第一空填选项A,第二空填选项C。

　　例2.在光电效应实验中,如果要增大光电子到达阳极时的速度,可采用的方法是()

　　A.增加光照时间 B.增大光电管两极间的正向电压

　　C.增大入射光的强度 D.增大入射光的频率

　　解析:光电子到达阳极经过两个阶段:第一阶段从金属中的逸出过程,吸收光子获得一定的动能(即最大初动能),且其值取决于入射光的频率;第二阶段从阴极到阳极的加速过程。故光电子到达阳极的动能(速度),由入射光的频率和阴阳两极间的加速电压决定。所以选项B、D正确。

　　只有深入挖掘光电效应的产生机理,理解爱因斯坦光子说和光电效应方程,进一步认识基本概念,才能加深对光电效应规律的理解。

　　阅读期刊：《光学与光电技术》

　　《光学与光电技术》以“武汉中国光谷”为依托，是中国光学学会光电技术专业委员会,中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会,中国造船工程学会光电技术专业委员会,湖北省光学学会,湖北省激光学会会刊。2007年被收录为“中国科技论文统计源期刊”(中国科技核心期刊),在本刊发表论文，一律免收版面费和审稿费。