81
第33卷 第1期
2014年3月枟新疆师范大学学报枠(自然科学版)JournalofXinjiangNormalUniversity
(NaturalSciencesEdition)Vol3.3,No1.Mar2.013
正确理解光电效应的基本规律
张冬波
(新疆师范大学物理与电子工程学院,新疆乌鲁木齐830054)
正确理解光电效应的基本规律尤摘要:光电效应的发现和正确解释是物理学史上具有里程碑意义的重大事件。因此,
为重要。文章针对教学过程中一些学生甚至教师对光电效应基本规律存在的误解及造成误解的可能因素进行了分析修正。
频率;材料;光强;多光子吸收关键词:光电效应;
. 文献标识码: A 中图分类号: O4827 文章编号: 1008‐9659(2014)01‐081‐02
在光电效应现象中对于同一种金属材料,如果入射光频率大于该金属的红限频率且频率保持不变时,饱和光电流的大小与入射光强度成正比。这一规律反映了光的量子性,每一个光子的能量E=hυ。频率一定时,光强与光子数成正比,所以饱和光电流亦与光强度成正比。那么,对于同一种金属材料如果入射光的光强确定时,饱和光电流与入射光的频率关系如何呢?许多文献和教材中存在不同的说法,教学过程中一些学生甚至教师对光电效应基本规律存在着误解,现在就常见的误解及其原因分析如下:
误解之一:
如果入射光光强不变则饱和光电流大小也不变。
这种误解是由饱和光电流的大小与入射光强度成正比的论述带来的,不少
人认为,既然饱和光电流与入射光强成正比,那么光强不变时饱和光电流就应
[1]保持不变。需要强调一下这一表述成立的条件是:入射光频率一定。如图1
(I01、I02、I03表示入射光强度)所示饱和电流与入射光强的关系,但是有些教师以为学生
在高中就学过了,于是一笔带过,还有些教师自己也没有吃透课本,忽略了图
[1]1所示的三次不同光强的入射光的遏止电压Vg是完全相等的,也就意味着
入射光的频率是相等的,这一点不能忽略,否则就会断章取义,误解课本,误导图1 饱和电流与入射学生。光强的关系
误解之二:如果光强一定时饱和光电流随入射光频率的增大而增大
(或减小)。
这种误解的依据是:频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大,所以饱和光电流随入射光频率的增大而增大。但饱和光电流并非随入射光频率的增大而无限制的增大。虽然频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大,但随着入射光频率的增大光子的数量会减少,入射光频率虽小但数量会增多,相应地激发出光电子的绝对数量也会增多,一定程度上会补偿频率低激发出光电子概率低的劣势,如果就因此而持相反的观点(即饱和光电流随入射光频率的增大而减小),那样也是欠思量的,关键要看在这种动态变化中哪种因素能占上风。
[2]此外,还要考虑到即使同一种发射材料对不同频率的入射光的灵敏度也是不同的这一因素。如图2
所示银氧铯(Ag-O-Cs)阴极对不同波长的光的灵敏度曲线出现了两个峰,说明在这两个波长对应的频率在银氧铯阴极更易激发出光电子,而不能笼统地说频率高的光子激发出光电子的概率就一定大。除此之外 [收稿日期]2013-10-10
[基金项目]全国教育科学“十一五”规划青年项目资助(CMA100184)。
[作者简介]张冬波(1980-),女,黑龙江绥化人,副教授,硕士,主要从事物理教学论方向的研究工作。
还要考虑到发射材料的疲劳程度及其发射的极限,它们对饱和电流的影响也不可忽略。由此可见,光强度一定时,
饱和电流随入射光频率的变化关系是比较复杂的。
图2
银氧铯对光的灵敏度曲线
对于另一条规律:光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光的强
度无关,而只与入射光的频率有关(见图3[1])。频率越高光电子的能量
[1]越大(见图1)。大家普遍认为是正确的,对于单光子吸收来说它无疑
是正确的,但随着实验条件的改善和人们认识的发展,考虑到多光子吸
[3]收,不能认为爱因斯坦光电效应方程
hυ=Em+Wo (1)
仍然成立。如果一个电子吸收n个光子则有
图3 最大初动能与入射光频率有关nhυ=Em+Wo(2)Em是光电子的动能,Wo是发射材料的逸出功,对于同一种发射材料而言Wo是个定值,E=hυ是一个
光子的能量,对于频率一定的入射光,每个光子的能量也是定值,于是光电子的动能可写成
Em=nhυ-Wo(3)
的形式,根据以上分析可知光电子的动能Em就是光子数n的一次函数,它会随着n的增大而增大,也就是说遏止电压会随着n的增大而增大。这又要考虑到同一种发射材料对不同频率入射光的灵敏度不同这个问题,考虑它对哪种频率的光有效吸收率高以及入射光的强度的影响,
因为二者对多光子吸收都有较大影响。
最后,再从发射材料的原子序数和入射光子的能
[3]量关系探讨一下上面的问题。从图4可粗略看出它
们之间的关系。就可见光波段而言,其波长范围在(78
-6~38)×10cm,所以可见光的光子能量范围在(16.~-6[3]33.)×10MeV之间。参照图4可知在可见光的范
围内即使对原子序数很小的发射材料来说,康普顿效
应发生的几率也是微乎其微的,更不用说电子对效应,
它主要发生光电效应。所以在可见光的频率范围内主
图4 发射材料的原子序数和入射光子的能量关系要讨论光电效应即可。其他情况,应以事实为基础,具
体问题具体分析。
综上所述,在学习光电效应的过程中,要注意入射光的频率、强度及发射材料的特性,与康普顿效应、电子对效应对比分析学习,理论联系实际且要与时俱进。
参考文献:
[1]姚启钧华.东师大光学教材编写组改编第.三版光.学教程[M]北.京:高等教育出版社,2004:4.
[2]李家利光.电效应中电子一次只能吸收一个光子吗[J]物.理教师,2006,27(12):12-17.
[3]李迅茹放.射物理与防护[M]北.京:人民卫生出版社,2002:8.(下转第96页)
TheResourcesResearchofXinjiangMinorityTraditionalSportsintothePECourseAireti・MAITIREYIM
(PhysicalEducationDepartment,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang,830054,China)Abstract:Thisarticlebasedontheintegrationoftraditionalethnicsports,Screeningandtraditionalethnicsportsintomyareaefficientcountermeasures,thepriority、afterthetransformationofminoritysportssatisfiedformydistrictPECurriculumTeachingResourcescategory,Toinheritandcarryforwardthefinetraditionalculture,Visitorstoenrichthecontentofschoolphysicaleducation.Thestudyareaformycollegeminoritysportscurriculumresourcestocarryoutelectioneditingprogramtolayagoodfounda‐tion.Keywords:TraditionalSports;Minority;PECourse
(上接第82页)
TheCorrectUnderstandingoftheBasicLawofPhotoelectricEffect
ZHANGDong-bo
(SchoolofPhysicalandEngineering,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang,830054,China)
Abstract:Thefindingandcorrectexplanationofthephotoelectriceffectisalandmarkinthehistoryofphysics.Therefore,thecorrectunderstandingofthebasiclawofthephotoelectriceffectisveryimportant.Intheprocessofteaching,somestudentseventeachershavesomemisunderstandingofthebasiclawofthephotoelectriceffect.Thispapermakessomeanalysisandremarkonthemisunderstandinganditspossiblefactors.Keywords:Photoelectriceffect;Frequency;Materia;Opticalintensity;Multiphotonabsorption
正确理解光电效应的基本规律作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):张冬波, ZHANG Dong-bo新疆师范大学 物理与电子工程学院,新疆 乌鲁木齐,830054新疆师范大学学报(自然科学版)Journal of Xinjiang Normal University (Natural Sciences Edition)2014(1)
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xjsfdxxb201401015.aspx
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第33卷 第1期
2014年3月枟新疆师范大学学报枠(自然科学版)JournalofXinjiangNormalUniversity
(NaturalSciencesEdition)Vol3.3,No1.Mar2.013
正确理解光电效应的基本规律
张冬波
(新疆师范大学物理与电子工程学院,新疆乌鲁木齐830054)
正确理解光电效应的基本规律尤摘要:光电效应的发现和正确解释是物理学史上具有里程碑意义的重大事件。因此,
为重要。文章针对教学过程中一些学生甚至教师对光电效应基本规律存在的误解及造成误解的可能因素进行了分析修正。
频率;材料;光强;多光子吸收关键词:光电效应;
. 文献标识码: A 中图分类号: O4827 文章编号: 1008‐9659(2014)01‐081‐02
在光电效应现象中对于同一种金属材料,如果入射光频率大于该金属的红限频率且频率保持不变时,饱和光电流的大小与入射光强度成正比。这一规律反映了光的量子性,每一个光子的能量E=hυ。频率一定时,光强与光子数成正比,所以饱和光电流亦与光强度成正比。那么,对于同一种金属材料如果入射光的光强确定时,饱和光电流与入射光的频率关系如何呢?许多文献和教材中存在不同的说法,教学过程中一些学生甚至教师对光电效应基本规律存在着误解,现在就常见的误解及其原因分析如下:
误解之一:
如果入射光光强不变则饱和光电流大小也不变。
这种误解是由饱和光电流的大小与入射光强度成正比的论述带来的,不少
人认为,既然饱和光电流与入射光强成正比,那么光强不变时饱和光电流就应
[1]保持不变。需要强调一下这一表述成立的条件是:入射光频率一定。如图1
(I01、I02、I03表示入射光强度)所示饱和电流与入射光强的关系,但是有些教师以为学生
在高中就学过了,于是一笔带过,还有些教师自己也没有吃透课本,忽略了图
[1]1所示的三次不同光强的入射光的遏止电压Vg是完全相等的,也就意味着
入射光的频率是相等的,这一点不能忽略,否则就会断章取义,误解课本,误导图1 饱和电流与入射学生。光强的关系
误解之二:如果光强一定时饱和光电流随入射光频率的增大而增大
(或减小)。
这种误解的依据是:频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大,所以饱和光电流随入射光频率的增大而增大。但饱和光电流并非随入射光频率的增大而无限制的增大。虽然频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大,但随着入射光频率的增大光子的数量会减少,入射光频率虽小但数量会增多,相应地激发出光电子的绝对数量也会增多,一定程度上会补偿频率低激发出光电子概率低的劣势,如果就因此而持相反的观点(即饱和光电流随入射光频率的增大而减小),那样也是欠思量的,关键要看在这种动态变化中哪种因素能占上风。
[2]此外,还要考虑到即使同一种发射材料对不同频率的入射光的灵敏度也是不同的这一因素。如图2
所示银氧铯(Ag-O-Cs)阴极对不同波长的光的灵敏度曲线出现了两个峰,说明在这两个波长对应的频率在银氧铯阴极更易激发出光电子,而不能笼统地说频率高的光子激发出光电子的概率就一定大。除此之外 [收稿日期]2013-10-10
[基金项目]全国教育科学“十一五”规划青年项目资助(CMA100184)。
[作者简介]张冬波(1980-),女,黑龙江绥化人,副教授,硕士,主要从事物理教学论方向的研究工作。
还要考虑到发射材料的疲劳程度及其发射的极限,它们对饱和电流的影响也不可忽略。由此可见,光强度一定时,
饱和电流随入射光频率的变化关系是比较复杂的。
图2
银氧铯对光的灵敏度曲线
对于另一条规律:光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光的强
度无关,而只与入射光的频率有关(见图3[1])。频率越高光电子的能量
[1]越大(见图1)。大家普遍认为是正确的,对于单光子吸收来说它无疑
是正确的,但随着实验条件的改善和人们认识的发展,考虑到多光子吸
[3]收,不能认为爱因斯坦光电效应方程
hυ=Em+Wo (1)
仍然成立。如果一个电子吸收n个光子则有
图3 最大初动能与入射光频率有关nhυ=Em+Wo(2)Em是光电子的动能,Wo是发射材料的逸出功,对于同一种发射材料而言Wo是个定值,E=hυ是一个
光子的能量,对于频率一定的入射光,每个光子的能量也是定值,于是光电子的动能可写成
Em=nhυ-Wo(3)
的形式,根据以上分析可知光电子的动能Em就是光子数n的一次函数,它会随着n的增大而增大,也就是说遏止电压会随着n的增大而增大。这又要考虑到同一种发射材料对不同频率入射光的灵敏度不同这个问题,考虑它对哪种频率的光有效吸收率高以及入射光的强度的影响,
因为二者对多光子吸收都有较大影响。
最后,再从发射材料的原子序数和入射光子的能
[3]量关系探讨一下上面的问题。从图4可粗略看出它
们之间的关系。就可见光波段而言,其波长范围在(78
-6~38)×10cm,所以可见光的光子能量范围在(16.~-6[3]33.)×10MeV之间。参照图4可知在可见光的范
围内即使对原子序数很小的发射材料来说,康普顿效
应发生的几率也是微乎其微的,更不用说电子对效应,
它主要发生光电效应。所以在可见光的频率范围内主
图4 发射材料的原子序数和入射光子的能量关系要讨论光电效应即可。其他情况,应以事实为基础,具
体问题具体分析。
综上所述,在学习光电效应的过程中,要注意入射光的频率、强度及发射材料的特性,与康普顿效应、电子对效应对比分析学习,理论联系实际且要与时俱进。
参考文献:
[1]姚启钧华.东师大光学教材编写组改编第.三版光.学教程[M]北.京:高等教育出版社,2004:4.
[2]李家利光.电效应中电子一次只能吸收一个光子吗[J]物.理教师,2006,27(12):12-17.
[3]李迅茹放.射物理与防护[M]北.京:人民卫生出版社,2002:8.(下转第96页)
TheResourcesResearchofXinjiangMinorityTraditionalSportsintothePECourseAireti・MAITIREYIM
(PhysicalEducationDepartment,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang,830054,China)Abstract:Thisarticlebasedontheintegrationoftraditionalethnicsports,Screeningandtraditionalethnicsportsintomyareaefficientcountermeasures,thepriority、afterthetransformationofminoritysportssatisfiedformydistrictPECurriculumTeachingResourcescategory,Toinheritandcarryforwardthefinetraditionalculture,Visitorstoenrichthecontentofschoolphysicaleducation.Thestudyareaformycollegeminoritysportscurriculumresourcestocarryoutelectioneditingprogramtolayagoodfounda‐tion.Keywords:TraditionalSports;Minority;PECourse
(上接第82页)
TheCorrectUnderstandingoftheBasicLawofPhotoelectricEffect
ZHANGDong-bo
(SchoolofPhysicalandEngineering,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang,830054,China)
Abstract:Thefindingandcorrectexplanationofthephotoelectriceffectisalandmarkinthehistoryofphysics.Therefore,thecorrectunderstandingofthebasiclawofthephotoelectriceffectisveryimportant.Intheprocessofteaching,somestudentseventeachershavesomemisunderstandingofthebasiclawofthephotoelectriceffect.Thispapermakessomeanalysisandremarkonthemisunderstandinganditspossiblefactors.Keywords:Photoelectriceffect;Frequency;Materia;Opticalintensity;Multiphotonabsorption
正确理解光电效应的基本规律作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):张冬波, ZHANG Dong-bo新疆师范大学 物理与电子工程学院,新疆 乌鲁木齐,830054新疆师范大学学报(自然科学版)Journal of Xinjiang Normal University (Natural Sciences Edition)2014(1)
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xjsfdxxb201401015.aspx