分享

光电效应的机理分析

 涓消水流成大海 2018-12-28

作者:彭晓韬

日期:2018.03.15

[内容摘要]:光电效应是指在适当频率的光照射下,金属中的电子会从金属表面溢出的现象。此效应后来成为了电磁波的本质到底是粒子还是波的持久争论中,支持粒子学派的最有力佐证。但通过对光电效应实验过程的进一步详细分析发现:利用光的粒子性来解释光电效应存在一个严重的缺陷——光电作用过程中的动量和动能不守恒。因此,以光的粒子性来解释光电效应可能是不成功的。需要另辟蹊径。本文尝试用电磁波的电场变化周期与金属中的电子围绕原子核作圆周运动的周期间的耦合关系来解释光电效应,即在两者频率与相位相同或相近时,将出现同步加速现象。当电子被加速到逃溢速度后,就从金属中脱离出来了。通过分析,此种解释方法完全有可能与客观实际相吻合。同时,在文中提出了三种鉴别与验证光电效应到底是由光粒子还是由光的电场同步加速作用之方法。

关键词:光电效应;内在机理;耦合分析

一、前 言

光电效应是指当光照射到金属表面时,金属中的电子会脱离金属表面进入金属体外而成为自由电子的现象。同时,某一特定金属在光照下产生光电效应有一个特定的最低光波频率,只有光波频率高于此值时才会产生光电效应,而与光的强度无关。光的强度只能在光的频率达到最低值以上时影响单位时间内电子脱离金属表面的数量。不同的金属产生光电效应时的最低光波频率也不同。也就是说:对于某种特定的金属来说,光是否能够使电子从金属表面溢出只与光的频率有关。频率高的光线(比如紫外线)便能够打出能量较高的电子,而频率低的光(比如红光、黄光)则一个电子也打不出来。能否打击出电子,与光的强度无关。再弱的紫外线也能够打击出金属表面的电子,而再强的红光也无法做到这一点。增加光线的强度,能够做到的只是增加打击出电子的数量。比如强烈的紫光相对微弱的紫光来说,可以从金属表面打击出更多的电子来。

爱因斯坦用光为粒子来解释光电效应并得到了物理界公认。从此,光有粒子的属性被广泛接受,进而促使后来形成了光存在波粒二相性的共识,甚至认为宇宙间所有物质均存在波粒二相性的物质波/德布罗意波的诞生。

虽然利用光为粒子且假定其动量和能量与光的频率成正比可以很好地解释光电效应仅与光的频率有关,与光的强度无关的问题。但此种解释方法存在一个严重的缺陷——光电效应过程中动量和动能不守恒。这是此种解释方法的致命伤

如下图一所示:当光照射到金属表面时,电子从金属表面射出的方向是朝金属表面以外的方向,即电子是朝光源一侧运动的。有资料显示:当照射到金属板面的光波与金属板面为非正交时,电子溢出的方向与光照方向间存在一定的夹角θ,且存在θ>90˚的情况。如下图二-1和2所示;还有资料显示:在光照角度不变时,从金属表面溢出的电子的角度并不是固定不变的。如下图二-3所示。

光电效应的机理分析

光电效应的机理分析

我们假设图一中金属板中的外层原子中的电子在位于垂直板面的平面内围绕原子核作圆周运动(其他方向的圆周运动时,其由光粒子碰撞导致电子的动量和动能改变均小于该种情形)。并设电子圆周运动的切向速度为V、动量为P1、动能为E1;光子速度为C,动量为P2、动能为E2;按照完全弹性碰撞(非弹性碰撞时能量和动量交换小于完全弹性碰撞。因此,只要弹性碰撞时不能发生的现象,非弹性碰撞时更不可能发生),光子与电子碰撞后,光子的动量与动能全部转移给电子。则在图一中A、B、C、D四个位置上发生电子与光子的完全弹性碰撞时,碰撞后电子的动量、动能及运动方向夹角θ分别为:

A点碰撞后光子与电子的动量为:

光电效应的机理分析

θ<>

D点碰撞后光子与电子的动量为:

P=P1-P2

动能为:

E=E1-E2

动量与动能的方向一致但有可能朝金属板内方向,也可能朝金属板外方向。这主要取决于P1与P2的相对大小关系:

当P1<>2时,朝金属板内,即:θ=0˚;

当P1>P2时,朝金属板外,即:θ=180˚。但因P<>1,E<>1,即电子与光子碰撞前朝金属板外运动的动量和动能均大于碰撞后的。因此,在没有碰撞前电子不能脱离金属板,在碰撞后更不会脱离金属板而飞出了。

由此可见,光子与电子在以上四个位置上发生完全弹性碰撞时,电子碰撞后的动量和能量在沿光子运动的反方向上的分量都不会大于碰撞前的!可以证明,电子无论在哪个位置上被光子碰撞,其碰撞后的动量和动能的矢量方向均应该为与光照前进方向间的夹角不大于90˚。而电子要被碰撞出金属板面,则光照方向与金属板面间的夹角φ必须小于45˚。而从目前撑握的光电效应实验装置资料来看,光照方向与金属板面间的夹角φ一般均大于于45˚。因此,光电效应中的电子不可能是被光子碰撞出金属表面的。即用光为粒子且其动量和能量与频率成正比也是不能解释光电效应的

二、利用光的波动性解释光电效应的可能性

众所周知,任何金属都是由特定的原子构成的,而原子是由相对运动空间范围较小的原子核和围绕其高速运动的电子构成的。在一般情况下,不同的金属原子的原子核中的质子数量和围绕原子核高速运动的电子数量是相等的。但不同的电子围绕原子核运动的轨迹是不同的,一般分不同的电子层,最外层的电子往往比较活跃,可能与其附近的原子核的外层电子发生位置交换,当外层电子有规律地定向交换位置时将形成所谓的电流。

当某种特定波长的光照射到某一特定金属表面上时,就会在金属表面及表面以下一定范围内形成一定强度的交变电场和磁场。金属中的外层电子虽然比较活跃,但在一般情况下仍以高速绕原子核运动。当以光的照射方向为基轴时,可把金属中高速绕原子核运动的外层电子视为一特定频率的、类似于电动机转子一样的转子,我们暂且称其为电子转子吧。从电动机原理我们知道,只有当外加的电磁场频率与转动中的转子频率相近、相位合适时,才能使转子加速。否则可能使转子减速,或者对转子的影响只是一会加速、一会减速,对转子的运转总体影响不大。也就是由光照产生的外来电磁场在电子运动空间范围内与电子的相互作用存在类似于耦合效应的相互作用。只有频率相近、相位合适时,外来电场才能使电子加速,耦合系数最大;如果频率不同、相位各异,则耦合系数变小甚至为负值。因此,只有照射到金属表面的光波频率与电子转子围绕原子核转动的频率相近且相位合适时,才能使电子转子加速,也就是使电子的能量提高。当加速到一定程度时,电子就会从金属表面射出,从而产生光电效应。也就是说,照射到金属表面的光就像环形粒子同步加速器(非直线加速器)中的交变电磁场一样,对部分频率和相位合适的粒子进行加速,直到粒子的速度达到一定数值后将脱离环形加速器。但对部分频率和相位不合适的粒子就不会有加速效果,甚至会起到反作用。

当我们把围绕原子核高速运动的外层电子当作高速转动的电子转子来考虑,光照射到金属表面时,则一方面光场即交变的电磁场的相位与电子转子的相位间存在多种可能性。也就是当光照形成的交变电磁场相位与电子转子的相位相同时,会使电子转子加速,而两者相位相反时,会使电子转子减速。介与相同与相反相位间的其他电子转子可能有的加速,有的减速。也就是说,只有相位和频率与光照形成的交变电磁场相同或基本相同的电子转子才有可能被加速到可脱离金属表面所需的逃溢速度;另一方面光场形成的交变电磁场的频率必须与电子转子的频率基本相同或成某种倍数关系,这样才能使电子转子持续或有规律地加速。也就是说,仅半个周期可能不足以把电子加速到逃溢速度,必须经过多个周期(但所需周期数不会很大,否则加速系统将随着电子转子转速的提高而破坏)的持续加速才能达到逃溢速度。因此,只有达到一定频率的光才能使金属表面产生光电效应。由于金属的外层电子一般存在很多级不同的能态,也就是电子转子的转速有很多种。因此能使电子加速到逃溢速度的光波频率也有很多种。当照射到金属表面的光波频率达到最低加速所需的频率时,就会产生光电效应。当照射的光频率继续升高时,转速更高的电子将被加速到逃溢速度。当照射的光波频率高于最低逃溢速度所需的频率并增加照射的光波强度,也就是提高交变电磁场的强度时,一方面将会缩短电子转子的加速过程,另一方面一些相位和频率稍有不同的电子也会被加速到逃溢速度,这样就会有更多的电子逃溢出来。

通过以上的分析,我们可以清晰地得出结论:由于金属中的电子处于围绕原子核作高速圆周运动的约束态,就像一个高速转动的电动机转子一样。此时要改变电子的运动状态,必须对其进行加速或减速。而对其加带或减速必须是非恒定电场或磁场,且频率与相位要与电子的运动频率与相位相协调。就像同步粒子加速器一样,对带电的粒子进行加速时,必须使其周围形成合适的电场或磁场,且随着加速过程粒子运动速度和空间位置的变化,粒子周围的电磁场必须保持合适的状态才能继续加速粒子。对于围绕原子核高速转动的电子,要对其加速也应在其周围形成合适的电磁场,只有与其围绕原子核运动的频率相近或成某种倍数关系的交变电磁场才能使其在数个或数十个周期内保持加速状态。因此,光电效应是由于照射到金属表面的光波频率达到电子围绕原子核作圆周运动时的最低频率或高于此频率时,电子在光波所形成的电磁场加速后才逃离金属表面的。相反,如果把照射到金属表面的光视为粒子,则照射到金属表面的光粒子就像一束射流一样冲向金属表面,被击中的电子应该向金属内部运动,而不应向脱离金属表面朝光射流相反的方面运动

综上所述,光电效应的机理是由与电子围绕原子核作圆周运动的频率相近或成某种倍数关系的光波(电磁波)照射到金属表面时,金属中的高速围绕原子核运动的电子被加速到逃溢速度后,才脱离金属表面溢出的。根本不可能是由像粒子一样的光子碰撞出来的

三、利用光的波动性解释光电效应的依据

1、金属原子最外层电子运动周期和频率的估算

按照目前对铜原子的研究资料显示:铜元素的原子半径约为(1.45~1.86)×10-10米;其29个电子分布在四个电子层上,最外层仅1个电子。最外层电子的运动速度约为(0.4~0.6)×106米/秒。则可计算出铜原子的外层电子的运动周期及频率如下表一所示:

光电效应的机理分析

2、可见光的频率

按有关资料显示:可见光的频率范围为:4.2×1014~7.8×1014Hz。

3、铜原子外层电子运动频率与可见光频率间的关系

由表一可知:铜原子外层电子围绕原子核作圆周运动的频率在(3.42~6.59)×1014Hz之间,而可见光的频率与其基本相近。由于目前对铜原子外层电子的确切运动速度和运动轨迹的半径测量存在较大误差。同时,在金属板内的的原子与单个原子的外层电子和原子半径也可能存在差异。因此,铜金属板内的外层电子的实际频率可能更加接近表一中的上限值。这样就可以很好地解释为什么频率较低的红黄光不能将铜板中的电子加速到逃溢速度,而频率较高的蓝紫光可以将铜板中的电子加速到逃溢速度了。

4、光的电场对原子外层电子的作用方式

根据电磁波的特性,光的电场具有方向性,其方向与光的运动方向正交,如下图三示:

光电效应的机理分析


假设光波电场方向在电子运动平面内(此种情况下电场对电子的作用最大)。则位于图中A、B、C、D四个位置上的、由光照产生的交变电场对作圆周运动的电子的作用分别为:

电子位于A点时,电场方向与电子运动方向一致或相反,对电子的作用为可能加速也可能减速,加速或减速主要由交变电场的瞬时方向与电子的运动方向一致或相反决定;

电子位于B点时,电场方向与电子运动方向正交,对电子的作用为使电子往上或往下运动,向上或向下运动主要由交变电场的瞬时方向是朝下或朝上决定;

电子位于C点时,电场方向与电子运动方向一致或相反,对电子的作用为可能加速也可能减速,加速或减速主要由交变电场的瞬时方向与电子的运动方向一致或相反决定;

电子位于D点时,电场方向与电子运动方向正交,对电子的作用为使电子往上或往下运动,向上或向下运动主要由交变电场的瞬时方向是朝下或朝上决定。

由以上分析可知:由光照产生的交变电场可使电子产生三种变化方式:加速、减速、加速并改变运动方向。如果交变电场正好与电子作圆周运动的周期相同且相位正好在A点和C点同时加速,而在B点和D点正好为电场强度最弱阶段,对电子的作用很小时,则电子将在每个周期内不断地加速,直到因速度增加而导致电子作圆周运动的频率高于光照产生的电场频率而破坏了同步加速状态或电子被加速到逃溢速度后脱离原子核的约束为止。

由于光照产生的电场对电子的此种作用方式使电子获得加速的方向与光照方向正交,也就是与以光的粒子性来解释光与电子的作用方式使电子获得加速的方向正好也正交。因此,从金属表面飞出的电子的运动方向一般与光照方向垂直或成其他任意角度(大部分电子的运动方向应该与光照的方向垂直)。因此,可解决此过程中的动量和动能不守恒矛盾。

四、利用光的波动性解释光电效应的验证方法

1、测量电子的运动方向

实测电子的运动方向是检验光电效应到底是由光粒子碰撞出来的,还是由电磁场同步加速出来的最好方法。

在真空环境下,对光电效应产生的电子的运动方向进行测量。即利用不同角度的光照射到金属表面,再测量不同角度上由光电效应作出产生的电子数量。若为光粒子碰撞出的电子,则其运动方向与光粒子的运动方向间的夹角不应该大于90˚。若为电磁场同步加速使电子逃溢出金属,则其运动方向可以为任意方向。因为其加速到逃溢速度的位置与光照电磁场相位与电子的位置间的相对关系有关,而被加速电子的位置是随机的,所以被加速到逃溢速度的位置也是不确定的。也就是说:如果光电效应的电子运动方向与光照方向的夹角大于90˚时,则就可证明光电效应不是由光粒子碰撞出金属的,而是由光产生的电磁场对电子进行同步加速导致电子从金属中溢出的。

2、测量不同光照角度时的电子运动方向

2.1、以光的粒子性解释时的电子运动方向:按照上文中的分析:电子的运动方向与光照方向的夹角θ不应该大于90˚。若被光粒子碰撞而加速后的电子被金属内部其他原子反弹出金属表面(发生这种情况的可能性微乎其微),则电子的运动方向与光照方向的夹角θ=(180˚-2φ)。

2.2、以光的波动性解释时的电子运动方向:按照上文中的分析:电子的运动方向与光照方向的夹角θ=90˚,可能存在少量其他运动方向的电子但占比应该不大,因为电子被加速到逃溢速度的位置必须是电子向板外方向运动且电场处于加速期间。

因此,利用实验获得的电子运动方向与光照方向及光照方向与金属板面夹角间的关系之实测数据资料可很容易地区分以上二种解释方法到底谁符合客观实际了。

3、利用偏振光进行光电效应实验

当使用电场方向与金属板面平行或在金属板面法向平面内偏振的光源来进行光电效应实验时,可更好地验证光电效应是由光的粒子性或是由光的波动性作用的结果:

当偏振光的电场方向与金属板面平行时,电场对金属原子的外层电子的加(减)速作用只能使电子沿板面方向加(减)速运动,而不能使电子脱离金属产生光电效应作用;

当偏振光的电场方向在金属板面法向平面内且不与板面平行时,将可使金属原子的外层电子加速到脱离金属板而发生光电效应作用。

如果光电效应是由光的粒子性作用的结果,则无论光源的偏振方向如何,其对金属原子的外层电子的作用不会存在差异,均可以出现光电效应。

因此,利用电场方向与金属板面平行的偏振光进行光电效应实验可鉴别是光的粒子性还是波动性在决定光电效应作用。

通过以上分析,我们可以清楚地得出如下结论:

1、光电效应是由光的粒子特性将金属中的电子碰撞出来的可能性不大;

2、利用光的波动性来解释光电效应现象是完全可能的,也有利于消除用光的粒子性来解释光电效应所出现的动量和动能不守恒矛盾;

3、可以利用测量光电效应的电子运动方向来鉴别光电效应的作用机理到底是光的粒子性在起作用还是光的波动性在起作用。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多