光电子快报思考光电效应中的几个问题(2)

　　可见普通光源照射下的双光子吸收概率是非常小的，以致于在实验中无法观察到。那么，多光子吸收是否可能发生呢?回答是肯定的，但要在强光下的光电效应中。实验证明，当用激光作光源进行光电效应时，已经实现了双光子、三光子吸收。多光子吸收在理论上(非线性光学)已经证明也是可以实现的。因此，对于光电效应所得的实验规律，特别是每种金属存在极限频率，以及爱因斯坦光电效应方程等，都是在弱光(线性光学)范畴内适用，而对强光(非线性光学)则不适用。即适用于单光子吸收情形，不适用双光子或多光子吸收情形。

　　三、 光电流与光强

　　在高中物理教材中介绍光电效应规律时，并未对光电流和光强这两个概念作进一步说明。尤其是光强。实践表明：学生能否全面正确理解光电效应规律，正确理解光电流与光强的概念是关键之一。

　　正因为如此，教学中向学生指明光电子仍是通常意义上的物体内部的电子，只是由于受光的照射而激发出来才叫光电子。把由光电子在外电场作用下产生的电流叫光电流。在光电效应实验中，当入射光频率大于极限频率时，用频率一定，强度不同的光照射，实验得到的是光电流的最大值(饱和光电流)按正比关系随入射光强度增大而增大。因此教材中的“光电流强度与入射光的强度成正比”，应理解为入射光频率一定时，饱和光电流强度与入射光强度成正比。

　　教材中没有给出入射光强度的定义，我们可以借鉴声强定义，给光强下个定义。按照光子的观点，一束光实际上是一群以光速沿着光的传播方向运动的光子流，每个光子的能量为hv，因而光强可定义为：单位时间里垂直于光的传播方向上的单位面积内通过该面积的光子的能量总和。由此可知，单色光的光强公式为：I=Nhv。

　　式中N为单位时间内通过垂直光传播的方向上单位面积上的光子总数。据此，单色光的光强应由光的频率和光子的发射率两个因素共同决定的。

　　当光的频率一定时，饱和光电流Im=ne(n为单位时间内从金属中逸出的光电子数，e为电子电量)与入射光强度成正比。入射光强度越大，单位时间内到达金属表面的光子数越多，单位时间内从金属表面逸出的光电子数就越多。可见单位时间内从金属逸出的光电子数与入射光强度成正比。实际上，与入射光强成正比的正是单位时间内从金属中逸出的光电子数，而非光电流强度。

　　四、一个中学不宜讨论的问题

　　在许多的资料中经常出现如下问题：用强度相同、频率不同的光分别照射同一金属，比较相同时间内逸出的光电子数多少。

　　这个问题在中学不宜比较。

　　前文讲到，光子与电子的作用结果有多种不同情况。例如，用紫光照射某金属可发生光电效应，如改用同强度的X射线照射，此时主要表现为康普顿效应，而光电效应几乎可以忽略。因为X射线光子能量远大于电子的束缚能，此时电子可视为自由电子，当光子与这种电子作用时，电子只能获得光子部分能量，变成反冲电子，很难发生光电效应。

　　在光电效应中，光子激发出光电子有一定的几率(即量子效应)，其大小与入射光子的频率及电子所处的状态有关。金属中的自由电子是处在周期势场中的近独立粒子，它们遵从费米—狄拉克统计规律，当入射光子频率高于极限频率时，随着频率的增大，使低于费米能级的自由电子也能挣脱势垒的束缚成为光电子，使量子效率增大。若频率进一步增大，可使处于束缚状态的电子在获得光子能量后都可能成为光电子，但又使光子和束缚相对较弱的电子的作用几率下降，导致量子效率反而减小。

　　综上所述，入射光强度一定，频率变化时的情况比较复杂，要针对具体情况具体分析，所以此类问题不宜在中学物理中讨论。

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