從兩條線索理解光電效應(yīng)專題

光電效應(yīng)問題是高考的重點(diǎn)，在近幾年的高考中頻頻出現(xiàn)，而且光電效應(yīng)問題抽象，學(xué)生難以理解。

一、光的頻率線

1.光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件

光子的能量hν與光的頻率ν相對(duì)應(yīng)，能否發(fā)生光電效應(yīng)是看照射金屬的光的頻率是否大于或等于這種金屬的極限頻率ν0，如果入射光的頻率ν大于或等于該金屬的極限頻率ν0，則就能產(chǎn)生光電效應(yīng)。

2.求解光電子的最大初動(dòng)能

依據(jù)愛因斯坦的“光子說”，金屬中的每一個(gè)電子只能吸收入射光的一個(gè)光子的能量，且無積累過程。電子能否成為光電子，就看電子所吸收的光子的能量的大小了，如果電子吸收的光子的能量足以克服原子核對(duì)電子的引力所做的功W，則電子就能成為光電子，多余的能量將轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能，公式為(1/2)mv2=hν-W。

從上述公式看，對(duì)同一頻率的光照射同一種金屬，光電子的最大初動(dòng)能隨W的增大而減小，隨W的減小而增大。如果W最小，對(duì)金屬的電子而言，應(yīng)是金屬表面的電子在吸收光子的能量之后從金屬表面上直接逸出，此時(shí)的光電子具有最大初動(dòng)能。因此最大初動(dòng)能公式也為(1/2)mv2=hν-W。

3.求解極限頻率ν0

光照射金屬，金屬表面的電子吸收光子的能量，然后利用此能量來克服原子核對(duì)電子所做的功，此功即為逸出功，即公式(1/2)mv2=hν-W中的W。據(jù)公式可知:當(dāng)入射光的光子的能量hν恰巧等于金屬的逸出功，即恰巧使金屬發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能為零，此時(shí)有W=hν0。

換句話說，如果光的頻率大于ν0能發(fā)生光電效應(yīng)，光的頻率等于ν0恰能發(fā)生光電效應(yīng)，光的頻率小于ν0就不能發(fā)生光電效應(yīng)。顯然ν0為極限頻率，極限頻率的大小為ν0=W/h。

以上三種情況只要知道光的頻率就可以了，因?yàn)樗羞@些情況皆與光的強(qiáng)度無關(guān)，是單個(gè)光子的效應(yīng)。

二、光的強(qiáng)度線

1.關(guān)于光強(qiáng)

光強(qiáng)是單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于光的傳播方向上單位面積的能量，其計(jì)算公式為I=nhν，其中n為單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于光的傳播方向上單位面積的光子數(shù)。

顯然，光的強(qiáng)度的大小與n有關(guān)，即I與n成正比，光強(qiáng)增大就意味著增加了單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于光的傳播方向上單位面積的光子數(shù)。

2.關(guān)于單位時(shí)間內(nèi)的光電子數(shù)

光強(qiáng)增大，照射到金屬上的單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)增多，而一個(gè)電子成為光電子只吸收一個(gè)光子的能量。也就是說，光強(qiáng)增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加。

如果用N′表示單位時(shí)間內(nèi)入射到金屬上的光子數(shù)，用N表示單位時(shí)間內(nèi)逸出金屬的光電子數(shù)，則必有:I∝n，N′∝n，N∝N′，即N∝I，也就是說單位時(shí)間內(nèi)從金屬上逸出的光電子數(shù)與光的強(qiáng)度成正比。

3.關(guān)于光電流強(qiáng)度

如圖1所示，入射光照在陰極上，能發(fā)生光電效應(yīng)，有光電子逸出，但逸出的光電子的方向是多向的，只有打在對(duì)陰極上的光電子才參與導(dǎo)電，形成光電流，即單位時(shí)間內(nèi)從金屬上逸出的光電子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)參與導(dǎo)電形成光電流的光電子數(shù)之間還有一段差值，也就是說從金屬上逸出的光電子不一定都參與導(dǎo)電形成光電流。

圖1

但形成光電流的光電子數(shù)與逸出金屬表面的光電子數(shù)成正比，而光電流又與參與導(dǎo)電的光電子數(shù)成正比，所以光電流強(qiáng)度與光的強(qiáng)度成正比。

以上討論中后兩種情況由光的強(qiáng)度決定，它是由單位時(shí)間內(nèi)能引起光電效應(yīng)的光子數(shù)決定的整體效應(yīng)。