光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于入射光和光電流關(guān)系的分析

（1.新疆師范大學(xué)物理系,烏魯木齊，830054；2.新疆師范大學(xué)礦物發(fā)光及其微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊，830054）

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于入射光和光電流關(guān)系的分析

王林香1,2

（1.新疆師范大學(xué)物理系,烏魯木齊，830054；2.新疆師范大學(xué)礦物發(fā)光及其微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊，830054）

本文從研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，提出關(guān)于實(shí)驗(yàn)中入射光和光電流關(guān)系里的幾個問題，針對該問題進(jìn)行了討論，并提出了一些建議和意見，這對進(jìn)一步修正光電效應(yīng)理論規(guī)律和理解應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的幫助。

光電效應(yīng)規(guī)律；光電流；實(shí)驗(yàn)誤差分析

0 引言

在赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)后，許多研究者對光電效應(yīng)作了深入的研究，總結(jié)出光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下:

①入射光頻率ν≥截止頻率ν0時, 且ν一定，產(chǎn)生光電子流大小與入射光的強(qiáng)度成正比，如圖1所示。

圖1 光電子流與入射光強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 入射光頻率與光電子流的關(guān)系

③當(dāng)ν≤ν0時，無論光強(qiáng)度多大，照射時間多長，都不能使電子逸出。

④從光照開始到電子逸出所需時間稱為光電效應(yīng)弛豫時間，一般不超過10-9秒。

光子理論成功地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律:

hv＝Em+W0

W0是逸出功，Em是出射電子的動能。

許多研究提出了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法，如改進(jìn)光電管的構(gòu)造、陰極材料、制作工藝、單色光的獲取、減小暗電流，本底電流，反向電流影響，遏止電壓的選取（交點(diǎn)法，拐點(diǎn)法）等，以便得到更精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

目前光電效應(yīng)中產(chǎn)生電子流大小與入射光強(qiáng)成正比的特性，廣泛應(yīng)用于自動控制、記錄儀器、光電信號互轉(zhuǎn)及光通量測量。

對于以上光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律①，即圖1體現(xiàn)了光的量子性。光的頻率不變時，光的強(qiáng)度越大，則相應(yīng)光子數(shù)越多，相應(yīng)產(chǎn)生的電子流也會加大。下面，我們討論以一種金屬作為陰極，光強(qiáng)不變,生成的電子流與入射光的關(guān)系。一些從事物理實(shí)驗(yàn)的研究者提出了不同的觀點(diǎn)。以下我們針對這些不同觀點(diǎn)來進(jìn)行分析。

1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的入射光和光電流關(guān)系分析

關(guān)于規(guī)律②的討論，有研究者認(rèn)為，既然生成的電子流與入射光強(qiáng)成正比，則光強(qiáng)一定時，單位時間產(chǎn)生的電子數(shù)就應(yīng)不變。需要強(qiáng)調(diào)這一表述成立的條件是:頻率一定。所以圖2中入射光頻率與生成的電子流的關(guān)系并不正確。

另外一種觀點(diǎn)，如果光強(qiáng)一定時，產(chǎn)生的電子流隨入射光頻率的增大而增大。它的依據(jù)是：頻率較大的光子能夠打出電子的可能性較大,所以飽和光電流隨入射光頻率的增大而增大。

按照規(guī)律①、②規(guī)律，入射光光強(qiáng)一定時，頻率較大的光，對應(yīng)的光子數(shù)目較少，頻率較小的光對應(yīng)對應(yīng)光子數(shù)目較大。所以當(dāng)入射光頻率(大于紅限頻率ν0)較小時，光子數(shù)較多，相應(yīng)地激發(fā)出電子的絕對數(shù)量也會增多,一定程度上會補(bǔ)償頻率低激發(fā)出光電子概率低的劣勢；當(dāng)入射光頻率ν≥截止頻率ν0較大時，入射光光子數(shù)目減小，此時激發(fā)的光電子數(shù)目也相應(yīng)減小，光電流也相應(yīng)減小。

所以，對光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律②應(yīng)該進(jìn)行修正，即入射光頻率≥截止頻率ν0，在普通光源照射下，入射光光子數(shù)目相同情況下，單色光源照射，光電流隨入射光頻率的增大而增大。

以上討論是單光子吸收情況,若考慮到多光子吸收問題會更復(fù)雜。同樣,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律③④是愛因斯坦那個時代(沒有大功率激光器, 激光技術(shù)的發(fā)展在二十世紀(jì)六十年代)總結(jié)出來的,它只適合單個光子吸收的事實(shí)。

若實(shí)驗(yàn)中有可能存在多光子轉(zhuǎn)換吸收，那么此時就應(yīng)該將愛因斯坦光電效應(yīng)方程進(jìn)行修正，且滿足截止頻率隨光強(qiáng)增大而增大，保證強(qiáng)光作用的條件。推廣后的規(guī)律及方程為：Nhν=Em+W0其中，N表示一個電子吸收的光子數(shù)，其他物理量解釋不變。一般情況下，普通光源的多光子吸收幾率幾乎為零,但在激光或者強(qiáng)光條件下，多光子轉(zhuǎn)換吸收幾率增大，能量吸收增加，導(dǎo)致金屬極限頻率降低，電子有可能逸出，其影響不能被忽略，此時逸出功為W0=Nhν。入射光的性質(zhì)、金屬材料決定了電子出射的動能，實(shí)驗(yàn)中若存在多光子吸收情況，光電子的最大初動能Em=Nhν-W0也必將增大。

此外，在光電效應(yīng)中的光子與電子相互作用，有可能發(fā)生碰撞散射，光子能量降低，波長變長，光子頻率降低。通常情況下，散射波長改變量 Dl≈10-12m，而可見光l范圍約為380～780nm≈10-7m量級，由于Dl＜＜l，所以可見光中的電子光子散射效應(yīng)可以忽略。雖然，本實(shí)驗(yàn)的陰極K為銀—氧—鉀(Ag-O-K光譜范圍為340～700nm)，觀察不到康普頓效應(yīng)，但電子光子散射應(yīng)如果較強(qiáng)時，被散射的光子就很難再被吸收，電子將可能不能吸收能量而逸出，所以光子電子的散射作用對光電效應(yīng)結(jié)果有一定的影響。

所以，產(chǎn)生電子流的大小，將與多種因素有關(guān)，如是否是強(qiáng)光源、入射光頻率、強(qiáng)度，是否發(fā)生電子光子散射、是否存在多光子吸收等情況，多種因素導(dǎo)致產(chǎn)生的電子流與入射光強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性關(guān)系，若考慮這些因素的影響，光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律:hν＝Em+W0必然進(jìn)行的修正，建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的理論修正規(guī)律及公示會更為復(fù)雜。

2 結(jié)論

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，是在一些理想的條件下成立的，當(dāng)改變實(shí)驗(yàn)條件，如普通光改強(qiáng)激光，發(fā)生多光子吸收、電子光子散射等因素的時候，原來不可能產(chǎn)生光電子流的金屬，此時就可能產(chǎn)生電子流，且光電流大小與入射光強(qiáng)度可能是非線性的復(fù)雜關(guān)系，多種因素影響，導(dǎo)致光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律會有所偏差，而現(xiàn)有的規(guī)律就要根據(jù)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素進(jìn)行修正，才符合實(shí)際情況。

[1] 姚啟鈞原著.華東師大光學(xué)教材編寫組編.光學(xué)教程(第四版)[M].高等教育出社,2008年6月.

[2] 徐建強(qiáng),徐榮歷,等主編. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(第二版)[M].科學(xué)出版社,2015年11月.

[3] 付茂林，彭志華.大學(xué)物理(下冊).[M].高等教育出社,2009:177.

[4] 鐘讀敏.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京,國科學(xué)大學(xué)出版社，2005.

[5] 王云志,趙敏.光電效應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,(02):93-95.

[6] 朱建華.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn),原大學(xué)教育學(xué)院學(xué)報，2012,30(1): 82-85.

[7] 李松嶺,明雪.光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)分析與成功改進(jìn).物理教師[J].2015, 36(4)：52-54.

[8] 倪建云.淺析光電效應(yīng)中的小疑惑.物理教師，2010,31(11).

[9] 李志武.光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)幾種方案的比較.物理通報2011年第4期.

Aalysis of the Rlationship of the Incident Light and Photoelectron Flow in the Photoelectric Effect Experiment

Wang Linxiang1,2
（1.Department of Physics,Xinjiang Normal University,Urumqi,830054,China; 2.Key Laboratory of Luminescent Materials and Nanostructures,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China)

In this paper, some problems in the relationship between the incident light and the light current are discussed,and some suggestions are put forward.The results are helpful to the further correction of the theory and application of the experimental results.

Photoelectric effect equation;light current;experimental error analysis

O436.4

A

王林香（1979-），女，副教授，從事光電子學(xué)及納米材料的實(shí)驗(yàn)研究.

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2012211B16）資助