高中物理光电效应复习中应处理好的三个问题.doc

伟哥 高中物理光电效应复习中应处理好的三个问题 　　摘要：本文主要分析了在高中物理复习中学生对于光电效应现象学习的难点问题，并且提出了学生应该要特别注意的三个问题：光电效应的产生过程，一个电子为什么一次只能接受一个光子，一个应该舍弃的问题。 　　关键词：光电效应；高中物理复习；电子；光子 　　 　　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，是高中物理教材中物理光学的重点，同时也是一个公认的难点。在新授课教学中学生接受起来十分困难。复习时这一部分知识也是学生难以逾越的坎。要突破这个难点，光电效应复习中要处理好这样几个问题。 　　1 弄清光电效应的过程 　　教材中指出：照到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应。在复习课中，学生已经了解了光子的概念。在光电效应的复习过程中就可以渗入光子的概念。光电效应过程包括两个小过程：第一个过程，一个光子射到金属表面的一个电子上，光子的能量传递给这个电子；第二个过程，这个电子克服金属的逸出功，从金属表面逸出，成为光电子。弄清光电效应过程中的这两个小过程，是了解什么是光电效应现象，理解光电效应规律的前提。 　　光电效应有如下四条规律： 　　1.每一种金属产生光电效应是都存在一个截止频率，入射光的频率低于截止频率将不能发生光电效应。 　　2.光电效应中产生的光电子的最大初动能与光的频率有关，而与光强无关。 　　3.光电效应的瞬时性，只要入射光的频率高于金属的截止频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，响应时间不超过10sup-9/supsubs/sub。 　　4.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积逸出的光电子数目。入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。 　　光子的能量是由光的频率决定的，接受到光子的电子的能量也就与光的频率相关，电子的能量超过金属的逸出功，才可能从金属表面逸出，成为光电子。因此，截止频率的存在也就顺理成章了。 　　光电效应过程中金属表面的电子获得光子的能量hv，克服逸出功W，剩下的能量就是光电子的初动能了。这样理解爱因斯坦的光电效应方程：Esubk/sub=hv-W就没有任何障碍了。一个电子接受一个光子，瞬间可以完成，光电效应的瞬时性就可以理解了。而光强度越大，单位时间内接受到光子的电子也就越多，逸出金属表面的光电子也就越多，第4条规律也就迎刃而解。 　　2 弄清一个电子为什么一次只能接受一个光子 　　入射光子的能量小于某金属的逸出功就不能发生光电效应，那么几个光子同时作用于一个电子不就可以使电子的能量大于逸出功，从而逸出金属表面了，这样不就没有截止频率的存在了吗？善于思考的学生自然会有这样的疑问，执教者有必要帮助学生弄清：一个电子为什么一次只能接受一个光子？ 　　取普通光源强度的数量级为P=105W/msup2/sup，入射光强度的频率取为v=5×10sup14/supHz，电子线度的数量级取为l=10sup-17/supm（电子显然应该比原子核小得多），则电子面度的数量级为S=10sup-34/supm，据此可估算一个电子接收到两个光子所需平均时间的数量级为t=6.63×10sup10/supsubs/sub。而实验表明：无论光强如何，光电效应的发生几乎是瞬时的，并不需要经过一段显著的时间，据现代的测量，这时间不超过10sup-9/supsubs/sub。对比上述两个时间值，很容易得到电子同时吸收二个或二个以上光子的几率可以忽略的结论。 　　由热力学知识可知，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。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10sup-8/supsubs/sub。而在这么短的时间内电子几乎不可能再吸收一个光子，从而让两个光子的能量叠加。特别是每种金属都存在截止频率的结论是正确的。 　　当然也可补充说明。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。但要在强光下的光电效应中，例如当用激光作光源进行光电效应时，多光子吸收已经证明也是可以实现的。但这种情形，高中阶段不作研究。 　　3 一个应该舍弃的问题 　　有这样的问题：“一束绿光照射某金属发生了光电效应，保持光的强度不变而改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目是增加减少还是不变？” 　　对于此问题，常有两种理解。一种是单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比。而与光的频率无关，故逸出的光电子数目不变。另一种理解是：光强不变，则光的能流密度不变，而频率增加，每份光子的能量也相应增加，光子数密度也相应减少，则单位时间内逸出的光电子数目一定减少。