對光電效應中兩類常見問題的看法

摘要：光電效應中的逸出功、光電效應方程有關的問題是高考的熱點，也是很多師生容易產生模糊、錯誤認識的難點。文章通過對兩類問題的剖析，運用相對論原理、動量守恒定律、玻爾理論、能量最低原理分析了光電效應的產生機理和規(guī)律，指出了產生錯誤認識的根源，為該內容的教學實踐提供了一些看法。

關鍵詞：光電效應；兩類常見問題；看法

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）09-235-02

光電效應規(guī)律與光子說是高中物理選修教學中的一個重點內容，是學生體驗物質本質發(fā)現(xiàn)的曲折歷程和不斷深化認識光現(xiàn)象的一個上佳素材，也是波粒二象性得以理解的一個基礎平臺。但限于中學階段物理知識層次要求和高中學生的理解水準，教材沒有詳盡闡述其產生機理。這就產生了教學實踐中的一些模糊認識，成為諸多師生的一個難點。本文就其中兩類有爭議的問題談談看法，以供參考。

一、關于金屬的逸出功

在很多教輔資料和教師的教學范例中經常存在這類命題：

關于光電效應的說法中，正確的有

A.要使光電效應發(fā)生，入射光子的能量必須大于原子的電離能

B.……

C.……

D.……

關于這類選擇題的A選項，有部分老師認為命題不科學，原因是題目混淆了逸出功和原子的電離能的關系。他們認為光電效應是金屬內自由電子吸收光子脫離金屬成為光電子[1]，電離是原子中束縛電子獲得能量脫離核束縛成為游離態(tài)電子，雖然兩者都需要克服“外力”做功，都可以吸收光子獲得能量去克服“外力”做功，但兩者本質上沒有聯(lián)系，逸出功數(shù)值與電離能多少沒有關系，因而無法回答此類命題。那么，發(fā)生光電效應現(xiàn)象的是金屬內的自由電子還是束縛電子呢？下面筆者從兩個方面來進行論證：

1、假設吸收光子的是處于靜止的自由電子，其質量為 ，在吸收光子后運動時質量為 ，速度為 ，根據(jù)愛因斯坦的光子說，一個光子的能量 被一個電子完全吸收，此過程要遵循能量守恒定律，即 ·····（1）

而根據(jù)狹義相對論，物體以速度 運動時的質量 與靜止時質量 之間的關系為

······························（2）

由（1）（2）兩式可得

同時，對于這一過程，可以將光子與電子的作用過程當做是碰撞過程，要遵循系統(tǒng)動量守恒定律，即 ······························（3）

由（2）（3）兩式可得

根據(jù)能量守恒定律和動量守恒定律得出的結果是不一致的，這只能說明這一假設過程是不可能發(fā)生的，即處于靜止狀態(tài)的自由電子不能吸收光子。

2、假設吸收光子的是處于運動狀態(tài)的自由電子，其質量為 ，速度為 ，在吸收光子后質量為 ，速度為 ，為了討論簡單起見，現(xiàn)假定光子與電子發(fā)生作用的過程是一維的，且作用前光子與電子動量方向一致。則對該過程應用能量守恒定律有：

······················（4）

且 ···························（5）

由（4）（5）兩式可得

對該過程應用動量守恒定律有 ··············（6）

由（5）（6）兩式可得

結合能量守恒定律與動量守恒定律分別推導的結果也是不一致的，這也說明了這一假設過程是不可能發(fā)生，即處于運動狀態(tài)的自由電子也不可能吸收光子。

所以，只有處于束縛狀態(tài)的電子才可以吸收光子，產生光電效應，此類問題可以解答。