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對光電效應中幾個問題的討論
光電效應現(xiàn)象，是光具有粒子性的第一個實驗證據(jù)，在人類對光的本性認識中占有很重要的地位。中學物理中編入這一內(nèi)容，其目的在于引入光子概念，為說明光的粒子性提供依據(jù)。因限于中學階段物理知識水平，教材不可能詳細闡述其產(chǎn)生機理，因此在教學實踐中易產(chǎn)生一些模糊認識。本文就下述幾個問題談談看法，以供參考。
一、光電子的產(chǎn)生
金屬及其化合物在光的照射下釋放出電子的現(xiàn)象叫光電效應現(xiàn)象，釋放出來的電子叫光電子。光電效應的實驗規(guī)律必須用愛因斯坦光子理論解釋。在教學中經(jīng)常遇到學生提問：吸收光子的電子是金屬中的什么電子？是束縛電子還是自由電子？這個問題值得考慮。
吸收光子的電子應該是金屬中的自由電子，而非束縛電子。分析如下，如果是束縛電子，根據(jù)能量守恒定律，其光電效應方程應為：
式中W是電子越過金屬表面時克服表面勢壘所做的功，E是束縛在某殼層上的電子電離出來所需的能量。實際上，許多金屬的逸出功的值約為2.0—7.0eV，比E的值要小得多，而和W相當。例如銫的最低電離能約為3.9eV,其逸出功約為1.9eV，如用1.9—3.9eV的光子入能使銫產(chǎn)生光電效應，而不能使銫的束縛電子電離。很顯然逸出的光電子并非是束縛態(tài)的電子。那么電子克服表面勢壘所做的功W與逸出的功的關(guān)系怎樣？在金屬表面附近，由于垂直于表面的晶體周期性中斷，作用在表面原子內(nèi)外兩側(cè)的力失去平衡，相應的電子密度分布也發(fā)生變化，通過表面原子和電子自洽相互作用，使得表面原子和電子分布趨向新的平衡，在表面區(qū)出現(xiàn)電偶極層，電子穿越該層區(qū)逸出表面時要克服電場力做功。此功與逸出功的值正好相當。
由上述可知，光電效應中光電子是金屬中自由電子吸收了光子的能量而產(chǎn)生的。當然，如果光子能量大于原子的電離能，則束縛電子也可以成為光電子。由于普通光電效應中入射光子的能量并非很高，因此不可能使束縛電子逸出。如若電子能量過高，則會發(fā)生康普頓效應而非光電效應。因為不同能區(qū)的光子與金屬發(fā)生相互作用時會產(chǎn)生不同的效應。當入射光子的能量較低時（hv<0.5MeV）以產(chǎn)生光電效應為主；入射光子能量很高時(hv>10MeV)，光子可產(chǎn)生正負電子對；入射光子能量介于以上能區(qū)之間時，其能量的衰減主要取決于康普頓散射。
二、金屬的極限頻率
在光電效應實驗中，每種金屬都存在一個極限頻率，當入射光的頻率低于極限頻率時，不管入射光多強，都不會有光電子逸出；只有當入射光的頻率高于極限頻率時，金屬才會發(fā)射光電子，產(chǎn)生光電效應。
上述實驗現(xiàn)象可以用光子理論解釋。電子由金屬逸出，至少需做一定量的功W，稱為此金屬的逸出功。光照在金屬上。電子一次吸收一個光子的能量hv。如果hv<W，即沒有光電效應。故光子能量應大于W。由此可見，金屬的極限頻率決定于式：hvo＝W。
如果電子能夠?qū)⒐庾幽芰糠e聚起來，即電子吸收一個光子后待一段時間再吸收一個光子，或者一個電子能同時吸收兩個甚至更多個光子，則光子理論就無法解釋為什么會存在極限頻率。因為，一個光子的能量若小于逸出功，那么多個光子的能量總和可以高于逸出功，所以無論什么頻率的光都可以產(chǎn)生光電效應，不可能出現(xiàn)極限頻率。
所謂電子積聚能量，是指電子獲得一個光子后，將能量保存下來，直到再吸收一個光子。事實上，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(tài)。根據(jù)熱力學原理，不平衡系統(tǒng)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秒。而在這么短的時間內(nèi)電子再吸收一個光子的可能性究竟有多大呢？
一般光電效應實驗所用的光源是普通光源，普通光源其發(fā)光機制以自發(fā)輻射為主，光強較弱。我們不妨設入射光的強度為100瓦/厘米2（在普通光源中光強很高了），頻率為6.0×1014赫的光在10－8秒內(nèi)流過每平方厘米的光子數(shù)為：
個/厘米2
金屬原子間距離的數(shù)量級為10－8厘米，若每個原子提供一個電子的話，每平方厘米就有1016個電子，以電子能夠吸收到一個原子大小范圍內(nèi)的光子計算，則吸收到一個光子的概率是
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而在10－8秒內(nèi)一個電子連續(xù)吸收兩個光子的概率是(2.5×10-4)2=6.25×10-8
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。那么，多光子吸收是否可能發(fā)生呢？回答是肯定的，但要在強光下的光電效應中。實驗證明，當用激光作光源進行光電效應時，已經(jīng)實現(xiàn)了雙光子、三光子吸收。多光子吸收在理論上（非線性光學）已經(jīng)證明也是可以實現(xiàn)的。因此，對于光電效應所得的實驗規(guī)律，特別是每種金屬存在極限頻率，以及愛因斯坦光電效應方程等，都是在弱光（線性光學）范疇內(nèi)適用，而對強光（非線性光學）則不適用。即適用于單光子吸收情形，不適用雙光子或多光子吸收情形。
三、 光電流與光強
在高中物理教材中介紹光電效應規(guī)律時，并未對光電流和光強這兩個概念作進一步說明。尤其是光強。實踐表明：學生能否全面正確理解光電效應規(guī)律，正確理解光電流與光強的概念是關(guān)鍵之一。
正因為如此，教學中向?qū)W生指明光電子仍是通常意義上的物體內(nèi)部的電子，只是由于受光的照射而激發(fā)出來才叫光電子。把由光電子在外電場作用下產(chǎn)生的電流叫光電流。在光電效應實驗中，當入射光頻率大于極限頻率時，用頻率一定，強度不同的光照射，實驗得到的是光電流的最大值（飽和光電流）按正比關(guān)系隨入射光強度增大而增大。因此教材中的“光電流強度與入射光的強度成正比”，應理解為入射光頻率一定時，飽和光電流強度與入射光強度成正比。
教材中沒有給出入射光強度的定義，我們可以借鑒聲強定義，給光強下個定義。按照光子的觀點，一束光實際上是一群以光速沿著光的傳播方向運動的光子流，每個光子的能量為hv，因而光強可定義為：單位時間里垂直于光的傳播方向上的單位面積內(nèi)通過該面積的光子的能量總和。由此可知，單色光的光強公式為：I=Nhv。
式中N為單位時間內(nèi)通過垂直光傳播的方向上單位面積上的光子總數(shù)。據(jù)此，單色光的光強應由光的頻率和光子的發(fā)射率兩個因素共同決定的。
當光的頻率一定時，飽和光電流Im=ne（n為單位時間內(nèi)從金屬中逸出的光電子數(shù)，e為電子電量）與入射光強度成正比。入射光強度越大，單位時間內(nèi)到達金屬表面的光子數(shù)越多，單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)就越多。可見單位時間內(nèi)從金屬逸出的光電子數(shù)與入射光強度成正比。實際上，與入射光強成正比的正是單位時間內(nèi)從金屬中逸出的光電子數(shù)，而非光電流強度。
四、一個中學不宜討論的問題
在許多的資料中經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：用強度相同、頻率不同的光分別照射同一金屬，比較相同時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)多少。
這個問題在中學不宜比較。
前文講到，光子與電子的作用結(jié)果有多種不同情況。例如，用紫光照射某金屬可發(fā)生光電效應，如改用同強度的X射線照射，此時主要表現(xiàn)為康普頓效應，而光電效應幾乎可以忽略。因為X射線光子能量遠大于電子的束縛能，此時電子可視為自由電子，當光子與這種電子作用時，電子只能獲得光子部分能量，變成反沖電子，很難發(fā)生光電效應。
在光電效應中，光子激發(fā)出光電子有一定的幾率（即量子效應），其大小與入射光子的頻率及電子所處的狀態(tài)有關(guān)。金屬中的自由電子是處在周期勢場中的近獨立粒子，它們遵從費米—狄拉克統(tǒng)計規(guī)律，當入射光子頻率高于極限頻率時，隨著頻率的增大，使低于費米能級的自由電子也能掙脫勢壘的束縛成為光電子，使量子效率增大。若頻率進一步增大，可使處于束縛狀態(tài)的電子在獲得光子能量后都可能成為光電子，但又使光子和束縛相對較弱的電子的作用幾率下降，導致量子效率反而減小。
綜上所述，入射光強度一定，頻率變化時的情況比較復雜，要針對具體情況具體分析，所以此類問題不宜在中學物理中討論。<W，即沒有光電效應。故光子能量應大于W。由此可見，金屬的極限頻率決定于式：hvo＝W。 如果電子能夠?qū)⒐庾幽芰糠e聚起來，即電子吸收一個光子后待一段時間再吸收一個光子，或者一個電子能同時吸收兩個甚至更多個光子，則光子理論就無法解釋為什么會存在極限頻率。因為，一個光子的能量若小于逸出功，那么多個光子的能量總和可以高于逸出功，所以無論什么頻率的光都可以產(chǎn)生光電效應，不可能出現(xiàn)極限頻率。 所謂電子積聚能量，是指電子獲得一個光子后，將能量保存下來，直到再吸收一個光子。事實上，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(tài)。根據(jù)熱力學原理，不平衡系統(tǒng)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秒。而在這么短的時間內(nèi)電子再吸收一個光子的可能性究竟有多大呢？ 一般光電效應實驗所用的光源是普通光源，普通光源其發(fā)光機制以自發(fā)輻射為主，光強較弱。我們不妨設入射光的強度為100瓦/厘米2（在普通光源中光強很高了），頻率為6.0×1014赫的光在10－8秒內(nèi)流過每平方厘米的光子數(shù)為： 個/厘米2 金屬原子間距離的數(shù)量級為10－8厘米，若每個原子提供一個電子的話，每平方厘米就有1016個電子，以電子能夠吸收到一個原子大小范圍內(nèi)的光子計算，則吸收到一個光子的概率是 [NextPage] 而在10－8秒內(nèi)一個電子連續(xù)吸收兩個光子的概率是(2.5×10-4)2=6.25×10-8 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。那么，多光子吸收是否可能發(fā)生呢？回答是肯定的，但要在強光下的光電效應中。實驗證明，當用激光作光源進行光電效應時，已經(jīng)實現(xiàn)了雙光子、三光子吸收。多光子吸收在理論上（非線性光學）已經(jīng)證明也是可以實現(xiàn)的。因此，對于光電效應所得的實驗規(guī)律，特別是每種金屬存在極限頻率，以及愛因斯坦光電效應方程等，都是在弱光（線性光學）范疇內(nèi)適用，而對強光（非線性光學）則不適用。即適用于單光子吸收情形，不適用雙光子或多光子吸收情形。 三、 光電流與光強 在高中物理教材中介紹光電效應規(guī)律時，并未對光電流和光強這兩個概念作進一步說明。尤其是光強。實踐表明：學生能否全面正確理解光電效應規(guī)律，正確理解光電流與光強的概念是關(guān)鍵之一。 正因為如此，教學中向?qū)W生指明光電子仍是通常意義上的物體內(nèi)部的電子，只是由于受光的照射而激發(fā)出來才叫光電子。把由光電子在外電場作用下產(chǎn)生的電流叫光電流。在光電效應實驗中，當入射光頻率大于極限頻率時，用頻率一定，強度不同的光照射，實驗得到的是光電流的最大值（飽和光電流）按正比關(guān)系隨入射光強度增大而增大。因此教材中的“光電流強度與入射光的強度成正比”，應理解為入射光頻率一定時，飽和光電流強度與入射光強度成正比。 教材中沒有給出入射光強度的定義，我們可以借鑒聲強定義，給光強下個定義。按照光子的觀點，一束光實際上是一群以光速沿著光的傳播方向運動的光子流，每個光子的能量為hv，因而光強可定義為：單位時間里垂直于光的傳播方向上的單位面積內(nèi)通過該面積的光子的能量總和。由此可知，單色光的光強公式為：I=Nhv。 式中N為單位時間內(nèi)通過垂直光傳播的方向上單位面積上的光子總數(shù)。據(jù)此，單色光的光強應由光的頻率和光子的發(fā)射率兩個因素共同決定的。 當光的頻率一定時，飽和光電流Im=ne（n為單位時間內(nèi)從金屬中逸出的光電子數(shù)，e為電子電量）與入射光強度成正比。入射光強度越大，單位時間內(nèi)到達金屬表面的光子數(shù)越多，單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)就越多�？梢妴挝粫r間內(nèi)從金屬逸出的光電子數(shù)與入射光強度成正比。實際上，與入射光強成正比的正是單位時間內(nèi)從金屬中逸出的光電子數(shù)，而非光電流強度。 四、一個中學不宜討論的問題 在許多的資料中經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：用強度相同、頻率不同的光分別照射同一金屬，比較相同時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)多少。 這個問題在中學不宜比較。 前文講到，光子與電子的作用結(jié)果有多種不同情況。例如，用紫光照射某金屬可發(fā)生光電效應，如改用同強度的X射線照射，此時主要表現(xiàn)為康普頓效應，而光電效應幾乎可以忽略。因為X射線光子能量遠大于電子的束縛能，此時電子可視為自由電子，當光子與這種電子作用時，電子只能獲得光子部分能量，變成反沖電子，很難發(fā)生光電效應。 在光電效應中，光子激發(fā)出光電子有一定的幾率（即量子效應），其大小與入射光子的頻率及電子所處的狀態(tài)有關(guān)。金屬中的自由電子是處在周期勢場中的近獨立粒子，它們遵從費米—狄拉克統(tǒng)計規(guī)律，當入射光子頻率高于極限頻率時，隨著頻率的增大，使低于費米能級的自由電子也能掙脫勢壘的束縛成為光電子，使量子效率增大。若頻率進一步增大，可使處于束縛狀態(tài)的電子在獲得光子能量后都可能成為光電子，但又使光子和束縛相對較弱的電子的作用幾率下降，導致量子效率反而減小。 綜上所述，入射光強度一定，頻率變化時的情況比較復雜，要針對具體情況具體分析，所以此類問題不宜在中學物理中討論
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