【原】《光电效应》教学

学习了量子论之后，跟着就有了量子思想的应用。

一．光电效应的现象和规律

1.现象：用光照射金属表面，金属表面会有电子逸出。由光电效应现象产生的电子，称为光电子。用名称反映电子的“出身”。

2.光电效应的规律及反映的事实：

A.存在截止频率。

不是随便什么光照射金属都能观察到光电效应现象，对某种金属，要产生光电效应，对入射光的频率有下限要求。这个下限频率称为截至频率或极限频率。如果入射光频率小于某一值，则无法产生光电效应现象。金属不同，截至频率也不同，说明截至频率和金属本身有关。有截至频率，对应的就有截至波长，及能发生光电效应的波长上限。

B.存在饱和电流。

如上图电路图所示，随着光电管两边电压的增大，电流表示数存在一最大值。在电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会再进一步增大了。这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。

实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这说明，对于一定频率（颜色）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

C.存在截止电压。

如果对上述电路图施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。截止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限v_c应该满足以下关系。进一步的实验表明，同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，截止电压都是一样的。光的频率v改变时，截止电压Uc也会改变。这意味着，对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。

D.光电效应具有瞬时性。

当频率超过截止频率v_c时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。精确

测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时发生的。

二．经典理论解释的无能为力之处

电子从金属中逸出需要具备的条件：金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。

电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W₀表示。换句话说，电子要想从金属中脱离，至少要吸收W₀的能量。

电子吸收的能量越高，则逸出的数目越多，饱和电流就越大。

按照经典的电磁理论应该得到的规律：

1.不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率；

2.光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压U_c 应该与光的强弱有关；

3.如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。

这些结论都与实验结果相矛盾。光电效应这个新现象考验着经典的电磁理论。

三．爱因斯坦的光电效应理论

借用普朗克量子论的思想，认为电磁波也是一份一份有粒子性的，称之为光子，能量为电磁波的频率与普朗克常数的乘积。E=hv。

爱因斯坦对光电效应的解释：

当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，在这些能量中，一部分大小为W₀的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能，即

hv ＝ E_k＋W_o

能量守恒定律的体现

1.这个方程表明，只有当hv > W₀ 时，光电子才可以从金属中逸出， W₀＝hv_c就是光电效应的截止频率。

2.这个方程还表明，光电子的最大初动能E_k与入射光的频率v有关，而与光的强弱无关。这就解释了截止电压和光强无关。

3.电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。

4.对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。

四．爱因斯坦光电效应理论的证实

从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。值得一提的是，密里根本来是以抱着推翻爱因斯坦光电效应的理论去做实验的，最终的结果恰恰证实了结论的正确性。间接证明了光子论的正确性。

五．康普顿效应和光子的动量

X射线的散射，散射后的X射线中，还有波长比入射波长长的射线。

康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。

六．光子本性的深化理解

公式中揭示的内涵，左边是描述粒子性的能量和动量，右边是描述波动的频率和波长，互相之间有了内在联系。从而说明光具有波粒二象性。