小物和小理的物理對話錄(99)
——單光子光電效應與多光子光電效應

2022-10-26 14:08:50潘瑩瑩劉亞英孟衛東正高級教師

高中數理化 2022年18期

潘瑩瑩劉亞英孟衛東(正高級教師)

(清華大學附屬中學永豐學校)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學習高中物理的過程中,小物經常向小理提出許多刁鉆而有趣的問題,了解他們的故事也能讓你的物理達到新的高度.

1 對話錄

小物:我今天看到一篇文章——《愛因斯坦與普朗克——紀念光電效應獲獎100周年》,感慨頗深.文中講到的光電效應原理、規律以及發現過程都展現了豐富的科學智慧,所蘊含的科學思想、研究方法對我們理解世界、探索未知規律有著極其豐富的價值.

小理:說得非常對,光電效應在歷史上第一次證明了光具有粒子性,在物理學史上有著相當高的地位,不過你今天怎么會有這么一番感慨呢?

小物:哎,說來真是慚愧啊,光電效應這么有價值,我卻還有好多問題不太明白.

小理:說來聽聽,什么問題呢?

小物:比如說一個電子是只能吸收一個光子嗎?為什么不能一次吸收多個光子呢?

小理:嘿,別說,你問的這個問題特別有代表性,是光電效應的疑難問題呢,說明你真正思考了,我今天就給你好好講講光電效應這個問題.

2 小理的介紹

小理:我們先介紹一下什么是光電效應吧! 光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象,在光的照射下,金屬內部的電子會被光子激發出來而形成電流,即光可以產生電.在人教版高中選擇性必修3課本中有這樣一張圖片(如圖1),把鋅板和驗電器相連,使鋅板帶負電,則驗電器指針張開.用紫外線燈照射鋅板,則看到驗電器的指針夾角變小了,這說明鋅板帶的負電荷減少了.這意味著紫外線讓電子從鋅板的表面逸出了.

圖1

研究發現,任何一種金屬,都有一個極限頻率,入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產生光電效應現象,低于這個頻率的光不能讓此金屬產生光電效應現象.

小物:太神奇了! 為什么光照會讓金屬的內部電子逸出呢?

小理:電子要想脫離某種金屬,需要外界對它做功,這個功的最小值叫作逸出功(W0).也就是說電子至少要吸收W0的能量才能從金屬中脫離.愛因斯坦認為光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的,頻率為ν的光的能量子為hν,這些能量子被稱為光子.當光照射到金屬表面上時,金屬中的電子可以吸收一個光子的能量,若電子吸收的光子的能量超過逸出功,則電子就能從金屬表面逸出.在這些能量中,一部分大小為W0的能量用來克服逸出功,剩下的能量則是電子逸出后的初動能Ek,即hν＝W0＋Ek.這個實驗證明了光具有粒子性.

小物:哦,理解了! 那為什么一個電子只能吸收一個光子呢?

小理:這個問題問得非常好! 我們在高中階段學的光電效應是單光子光電效應,即電子一次性吸收一個光子的全部能量,這個過程非常之快,不需要積累能量的時間,光電流幾乎是瞬時產生的,根據實驗估計一般不會超過10－8s,在學術界有人通過研究計算表明,10－8s之內一個光子碰到電子的機會為10－18,那么一個電子同時吸收兩個光子的概率為10－36.

小物:這個概率小到幾乎為零啊.這就是一個電子只能吸收一個光子的原因了吧?

小理:是的,這就是我們所學的單光子光電效應,但其實從原則上來說,只要入射光足夠強,光子密度足夠大,電子是可以再吸收一個光子的.

小物:哦? 怎么講?

小理:我們剛才所講的是使用普通光源的情況,電子吸收兩個以上光子能量的概率是非常非常小的,幾乎為零.愛因斯坦對此問題也有非常形象化的論述:光電效應中的一個電子吸收兩個光子的概率不會大于下雨天兩個雨滴同時打在一只螞蟻身上的概率.

但實際上,愛因斯坦在其所寫的光電效應論文中就已經提出:如果光強超過某一個數值,在光電效應實驗中就可以檢測到一個電子在同一時刻吸收兩個以上(含兩個)光子的現象.

小物:哦,使用普通光源做光電效應實驗,電子吸收兩個以上光子能量的概率幾乎為零,那后來隨著科技的發展,社會的進步,肯定出現其他特殊光源了吧?

小理:當然,后來發現了強激光,隨著強激光的出現,人們對于光電效應的認識更加豐富了.強激光,顧名思義就是發射的激光功率很大,也就是光子密度極大.從理論上講,用強激光照射金屬,一個電子在一段時間內吸收多個光子是可能的,可以形成多光子光電效應.

小物:哇,厲害厲害,今天我學到了.

小理:其實光電效應還有很多值得我們去學習和探究的點.比如說,對于多光子光電效應,愛因斯坦光電效應方程可以推廣為