光電效應(yīng)是《光的本性》的難點與重點,它的規(guī)律是從實驗中總結(jié)出來的,規(guī)律本身十分抽象難懂,加之教材對此介紹頗略,學(xué)生在學(xué)習(xí)和練習(xí)中往往會產(chǎn)生一些錯誤的認識:“頻率高,光子能量大,光就強,產(chǎn)生的光電流也強”、“光電子的動能大,電子運動快,光電流就強”、“無論光的頻率如何,只要光的強度足夠大或照射時間足夠長,電子就可以獲得足夠的能量而產(chǎn)生光電效應(yīng)”等等。造成以上錯誤的根本原因除了對“入射光強度”、“光子的能量”、“光電子的最大初動能”、“光電流強度”等概念混淆不清外,更主要的原因是對光電效應(yīng)產(chǎn)生的機制不甚理解,為此本文就光電效應(yīng)規(guī)律進行一些補充解釋,以供參考。

　　一、模型建立

　　愛因斯坦假設(shè): 空間傳播的光是不連續(xù)的,是一份一份的,每一份叫做一個光子,光子的能量跟光的頻率成正比,光不僅在發(fā)射或吸收時,而且在傳播時具有粒子性;當(dāng)光射到金屬表面時,金屬中的一個電子只能吸收一份光子的能量,一個光子的能量也只能傳遞給—個電子;吸收—份光子能量的電子可向各個方向運動。

　　二、基本規(guī)律

　　1、任何一種金屬都有一個極限頻率,入射光的頻率必須大于這個極限頻率,才能發(fā)生光電效應(yīng)。

　　2、入射光照射到金屬上時,光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的,一般不超過s。

　　3、當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時,光電流的強度與入射光的強度成正比。

　　4、光電子的最大出動能與入射光的強度無關(guān),只隨著入射光的頻率的增大而增大。

　　三、規(guī)律解釋

　　1、在金屬表面的電子,脫離金屬原子核對它的束縛時而克服原子核對它的引力做功,這個功就叫做金屬的逸出功,逸出功是金屬內(nèi)所有不同的電子脫離原子核的引力所做功的最小值。所以,吸收光子的電子至少要能克服金屬原子核的引力做功才能從金屬表面逃逸出來。金屬表面的某個電子吸收一定頻率的光子能量后,如果吸收的光子能量不足以克服逸出功,則該電子將吸收的光子能量立即釋放出去,而不積累能量,從而不產(chǎn)生光電效應(yīng)。對不同的金屬有不同的逸出功,這就是為什么只有入射光的頻率大于金屬的極限頻率時才能使金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的原因。

　　2、金屬表面受光照射后,金屬中的電子瞬間可吸收一個光子的全部能量,使其動能迅速增加,而不需要時間的積累,吸收光子的電子動能若足夠大時就可以脫離原子核對它的縛束從金屬表面逸出而形成光電子。這就是光電效應(yīng)具有瞬時性的原因。

　　3、“入射光強”指的是單位時間內(nèi)入射到金屬表面單位面積上的光子的總能量。若單位時間內(nèi)射到金屬表面單位面積上的光子數(shù)為 ,每個光子的能量為,則光強為。由此可見,入射光強度不僅與入射到金屬上的光子數(shù)有關(guān),還與入射光的頻率有關(guān),強度相同、頻率不同的兩束入射光,在單位時間內(nèi)射到金屬表面單位面積上的光子數(shù)是不同的,入射光的頻率越大,光子數(shù)就越少,因而從金屬表面逸出的光電子數(shù)也不同,形成的光電流也就不同。“光電流的強度”是指光電子形成的電流,那么光電流的強度就由在單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目決定,而單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目又由單位時間內(nèi)光子數(shù)目決定(即入射光強度)。當(dāng)入射光的頻率大于金屬的極限頻率時,照射光的強度越大,即單位時間內(nèi)射到金屬表面的光子數(shù)越多,這樣就有更多的電子吸收光子從而脫離金屬表面形成光電子,光電流的強度也就越大。這便是發(fā)生光電效應(yīng)時光電流的強度取決于入射光強度的原因。

　　4、入射光照射金屬時光子的能量全部被金屬中的某個電子吸收后,其中一部分能量用來克服金屬原子核的引力做功,另一部分便是光電子逸出金屬的初動能。若光電子的能量全部被金屬表面的某個電子吸收后,除克服金屬原子核引力做功(即逸出功)消耗能量外,其余能量就是光電子逸出金屬的最大初動能。由能量守恒定律可知:對給定的金屬其逸出功 是一定的,所以,入射光子的頻率 越大,光電子的最大初動能也越大。即光電子的最大初動能取決于人射光的頻率而與入射光的強度無關(guān)。若入射光子的能量恰好等于金屬的逸出功,則光電子的初動能為零,入射光的頻率就是該金屬的極限頻率。

　　四、例題分析

　　例1.用同一種單色光,在相同條件下先后照射鋅片和銀片都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。對于這兩個過程,下列四個物理量中,一定相同的是 ,可能相同的是。

　　A.照射光子的能量。 B.光電子逸出時的最大初動能。

　　C.光電子逸出時的動能。 D.光電子逸出時的最大初速度。

　　解析:同一種單色光,光的頻率相同,由愛因斯坦的光子說知光子能量 ,因此照射光子能量一定相同,對不同金屬而言,它們的逸出功不同,根據(jù)光電方程 可知,光電子逸出的最大初動能(最大初速度)由金屬的逸出功和入射光頻率決定,故選項B、D不正確。由于金屬電子吸收光子的能量后可向各個方向運動,有的向金屬內(nèi)部運動,并不出來,有的向金屬表面運動,經(jīng)過的路程不同,途中損失的能量也不同,這樣光電子有的從金屬內(nèi)部逸出,有的從金屬表面逸出,則題目兩種情況下逸出電子的動能(即光電子的動能)有可能相同。因此,第一空填選項A,第二空填選項C。

　　例2.在光電效應(yīng)實驗中,如果要增大光電子到達陽極時的速度,可采用的方法是()

　　A.增加光照時間 B.增大光電管兩極間的正向電壓

　　C.增大入射光的強度 D.增大入射光的頻率

　　解析:光電子到達陽極經(jīng)過兩個階段:第一階段從金屬中的逸出過程,吸收光子獲得一定的動能(即最大初動能),且其值取決于入射光的頻率;第二階段從陰極到陽極的加速過程。故光電子到達陽極的動能(速度),由入射光的頻率和陰陽兩極間的加速電壓決定。所以選項B、D正確。

　　只有深入挖掘光電效應(yīng)的產(chǎn)生機理,理解愛因斯坦光子說和光電效應(yīng)方程,進一步認識基本概念,才能加深對光電效應(yīng)規(guī)律的理解。

　　閱讀期刊：《光學(xué)與光電技術(shù)》

　　《光學(xué)與光電技術(shù)》以“武漢中國光谷”為依托，是中國光學(xué)學(xué)會光電技術(shù)專業(yè)委員會,中國儀器儀表學(xué)會光機電技術(shù)與系統(tǒng)集成分會,中國造船工程學(xué)會光電技術(shù)專業(yè)委員會,湖北省光學(xué)學(xué)會,湖北省激光學(xué)會會刊。2007年被收錄為“中國科技論文統(tǒng)計源期刊”(中國科技核心期刊),在本刊發(fā)表論文，一律免收版面費和審稿費。

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