高中物理光電效應復習中應處理好的三個問題

摘要：本文主要分析了在高中物理復習中學生對于光電效應現象學習的難點問題，并且提出了學生應該要特別注意的三個問題：光電效應的產生過程，一個電子為什么一次只能接受一個光子，一個應該舍棄的問題。

關鍵詞：光電效應；高中物理復習；電子；光子

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2013）2（S）-0043-2

光電效應現象是光具有粒子性的第一個實驗證據，在人類對光的本性認識中占有很重要的地位，是高中物理教材中物理光學的重點，同時也是一個公認的難點。在新授課教學中學生接受起來十分困難。復習時這一部分知識也是學生難以逾越的坎。要突破這個難點，光電效應復習中要處理好這樣幾個問題。

1 弄清光電效應的過程

教材中指出：照到金屬表面的光能使金屬中的電子從表面逸出，這個現象稱為光電效應。在復習課中，學生已經了解了光子的概念。在光電效應的復習過程中就可以滲入光子的概念。光電效應過程包括兩個小過程：第一個過程，一個光子射到金屬表面的一個電子上，光子的能量傳遞給這個電子；第二個過程，這個電子克服金屬的逸出功，從金屬表面逸出，成為光電子。弄清光電效應過程中的這兩個小過程，是了解什么是光電效應現象，理解光電效應規律的前提。

光電效應有如下四條規律：

1.每一種金屬產生光電效應是都存在一個截止頻率，入射光的頻率低于截止頻率將不能發生光電效應。

2.光電效應中產生的光電子的最大初動能與光的頻率有關，而與光強無關。

3.光電效應的瞬時性，只要入射光的頻率高于金屬的截止頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，響應時間不超過10^-9。

4.入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間內由單位面積逸出的光電子數目。入射光越強，一定時間內發射的電子數目越多。

光子的能量是由光的頻率決定的，接受到光子的電子的能量也就與光的頻率相關，電子的能量超過金屬的逸出功，才可能從金屬表面逸出，成為光電子。因此，截止頻率的存在也就順理成章了。

光電效應過程中金屬表面的電子獲得光子的能量hv，克服逸出功W，剩下的能量就是光電子的初動能了。這樣理解愛因斯坦的光電效應方程：E=hv-W就沒有任何障礙了。一個電子接受一個光子，瞬間可以完成，光電效應的瞬時性就可以理解了。而光強度越大，單位時間內接受到光子的電子也就越多，逸出金屬表面的光電子也就越多，第4條規律也就迎刃而解。

2 弄清一個電子為什么一次只能接受一個光子

入射光子的能量小于某金屬的逸出功就不能發生光電效應，那么幾個光子同時作用于一個電子不就可以使電子的能量大于逸出功，從而逸出金屬表面了，這樣不就沒有截止頻率的存在了嗎？善于思考的學生自然會有這樣的疑問，執教者有必要幫助學生弄清：一個電子為什么一次只能接受一個光子？

取普通光源強度的數量級為P=105W/m²，入射光強度的頻率取為v=5×10¹⁴Hz，電子線度的數量級取為l=10^-17m（電子顯然應該比原子核小得多），則電子面度的數量級為S=10^-34m，據此可估算一個電子接收到兩個光子所需平均時間的數量級為t=6.63×10¹⁰。而實驗表明：無論光強如何，光電效應的發生幾乎是瞬時的，并不需要經過一段顯著的時間，據現代的測量，這時間不超過10^-9。對比上述兩個時間值，很容易得到電子同時吸收二個或二個以上光子的幾率可以忽略的結論。

由熱力學知識可知，當電子吸收光子后，它的能量便高于周圍的電子和原子核而處于非熱平衡狀態。不平衡系統會通過各種方式趨于平衡，電子便會把所得能量向四周圍粒子傳遞，實驗證明，這個傳遞時間非常短，不超過10^-8。而在這么短的時間內電子幾乎不可能再吸收一個光子，從而讓兩個光子的能量疊加。特別是每種金屬都存在截止頻率的結論是正確的。

當然也可補充說明。可見普通光源照射下的雙光子吸收概率是非常小的，以致于在實驗中無法觀察到。但要在強光下的光電效應中，例如當用激光作光源進行光電效應時，多光子吸收已經證明也是可以實現的。但這種情形，高中階段不作研究。

3 一個應該舍棄的問題

有這樣的問題：“一束綠光照射某金屬發生了光電效應，保持光的強度不變而改用紫光照射，則單位時間內逸出的光電子數目是增加減少還是不變？”

對于此問題，常有兩種理解。一種是單位時間內逸出的光電子數與光強度成正比。而與光的頻率無關，故逸出的光電子數目不變。另一種理解是：光強不變，則光的能流密度不變，而頻率增加，每份光子的能量也相應增加，光子數密度也相應減少，則單位時間內逸出的光電子數目一定減少。

對于前一種理解，顯然是對光電效應的規律加入了自己的想象發揮。光電效應規律之一“單位時間內逸出的光電子數與光強度成正比”是對于頻率一定的光而言，從何談起與“與光的頻率無關”。

對于后一種理解，也是片面的。頻率不同的光子，其能量不同，激發起光子的“能力”也不同，這里有一個“量子效率”問題。至于光子激發電子的效率與光子的頻率的關系，很為復雜，是一般的大學普通物理學都回避的問題，而現在將其交給中學生去解決，顯然是離譜了。因此，我們在教學中應該毫不猶豫地舍棄這樣的問題。

參考文獻：

[1]張靜.“光照度平方反比定律”的實驗設計[J].物理教學探討，2009，（7）：75.

（欄目編輯 羅琬華）