光电子快报思考光电效应中的几个问题

　　光电子快报思考光电效应中的几个问题 推荐站内最受大家欢迎的杂志：《光电子快报》由天津市教委主管，天津理工大学主办。国内刊号CN：12-1370/TN，国际刊号ISSN：1673-1905。为专业技术性刊物。报道光电子、激光技术领域的研究成果，内容包括新型光电子器件、装置和材料、光电控制和检测、光存贮和光电信息处理、通讯和光纤应用技术光电集成技术、光计算和光学神经网络、激光加工和激光应用、光电生物医学等方面。

　　关键词：光电子快报,光电效应

　　光电效应现象，是光具有粒子性的第一个实验证据，在人类对光的本性认识中占有很重要的地位。中学物理中编入这一内容，其目的在于引入光子概念，为说明光的粒子性提供依据。因限于中学阶段物理知识水平，教材不可能详细阐述其产生机理，因此在教学实践中易产生一些模糊认识。本文就下述几个问题谈谈看法，以供参考。

　　一、光电子的产生

　　金属及其化合物在光的照射下释放出电子的现象叫光电效应现象，释放出来的电子叫光电子。光电效应的实验规律必须用爱因斯坦光子理论解释。在教学中经常遇到学生提问：吸收光子的电子是金属中的什么电子?是束缚电子还是自由电子?这个问题值得考虑。

　　吸收光子的电子应该是金属中的自由电子，而非束缚电子。分析如下，如果是束缚电子，根据能量守恒定律，其光电效应方程应为：

　　式中W是电子越过金属表面时克服表面势垒所做的功，E是束缚在某壳层上的电子电离出来所需的能量。实际上，许多金属的逸出功的值约为2.0—7.0eV，比E的值要小得多，而和W相当。例如铯的最低电离能约为3.9eV,其逸出功约为1.9eV，如用1.9—3.9eV的光子入能使铯产生光电效应，而不能使铯的束缚电子电离。很显然逸出的光电子并非是束缚态的电子。那么电子克服表面势垒所做的功W与逸出的功的关系怎样?在金属表面附近，由于垂直于表面的晶体周期性中断，作用在表面原子内外两侧的力失去平衡，相应的电子密度分布也发生变化，通过表面原子和电子自洽相互作用，使得表面原子和电子分布趋向新的平衡，在表面区出现电偶极层，电子穿越该层区逸出表面时要克服电场力做功。此功与逸出功的值正好相当。

　　由上述可知，光电效应中光电子是金属中自由电子吸收了光子的能量而产生的。当然，如果光子能量大于原子的电离能，则束缚电子也可以成为光电子。由于普通光电效应中入射光子的能量并非很高，因此不可能使束缚电子逸出。如若电子能量过高，则会发生康普顿效应而非光电效应。因为不同能区的光子与金属发生相互作用时会产生不同的效应。当入射光子的能量较低时(hv<0.5MeV)以产生光电效应为主;入射光子能量很高时(hv>10MeV)，光子可产生正负电子对;入射光子能量介于以上能区之间时，其能量的衰减主要取决于康普顿散射。

　　二、金属的极限频率

　　在光电效应实验中，每种金属都存在一个极限频率，当入射光的频率低于极限频率时，不管入射光多强，都不会有光电子逸出;只有当入射光的频率高于极限频率时，金属才会发射光电子，产生光电效应。

　　上述实验现象可以用光子理论解释。电子由金属逸出，至少需做一定量的功W，称为此金属的逸出功。光照在金属上。电子一次吸收一个光子的能量hv。如果hv

　　如果电子能够将光子能量积聚起来，即电子吸收一个光子后待一段时间再吸收一个光子，或者一个电子能同时吸收两个甚至更多个光子，则光子理论就无法解释为什么会存在极限频率。因为，一个光子的能量若小于逸出功，那么多个光子的能量总和可以高于逸出功，所以无论什么频率的光都可以产生光电效应，不可能出现极限频率。

　　所谓电子积聚能量，是指电子获得一个光子后，将能量保存下来，直到再吸收一个光子。事实上，当电子吸收光子后，它的能量便高于周围的电子和原子核而处于非热平衡状态。根据热力学原理，不平衡系统会通过各种方式趋于平衡，电子便会把所得能量向四周围粒子传递，实验证明，这个传递时间非常短，不超过10-8秒。而在这么短的时间内电子再吸收一个光子的可能性究竟有多大呢?

　　一般光电效应实验所用的光源是普通光源，普通光源其发光机制以自发辐射为主，光强较弱。我们不妨设入射光的强度为100瓦/厘米2(在普通光源中光强很高了)，频率为6.0×1014赫的光在10-8秒内流过每平方厘米的光子数为：个/厘米2

　　金属原子间距离的数量级为10-8厘米，若每个原子提供一个电子的话，每平方厘米就有1016个电子，以电子能够吸收到一个原子大小范围内的光子计算，则吸收到一个光子的概率是。

　　而在10-8秒内一个电子连续吸收两个光子的概率是(2.5×10-4)2=6.25×10-8

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