多光子吸收與光電效應(yīng)規(guī)律研究

王良 夏雪 魏南

摘 要：多光子吸收與光電效應(yīng)是一種物理效應(yīng)，明晰兩者效應(yīng)過(guò)程及規(guī)律能幫主研究學(xué)者進(jìn)一步了解光電效應(yīng)。本文闡述多光子吸收過(guò)程，具體闡述光電效應(yīng)，分析光電效應(yīng)規(guī)律，旨在為相關(guān)人員提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多光子吸收;光電效應(yīng);規(guī)律

引言：

光電效應(yīng)是一種物理效應(yīng)，是光能量轉(zhuǎn)化成電能的一個(gè)過(guò)程，其本身產(chǎn)生物理反應(yīng)及規(guī)律是歷代研究學(xué)者認(rèn)識(shí)和了解光的粒子性和建立光子說(shuō)的基本前提。在進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光通過(guò)光電流來(lái)表現(xiàn)其本身特殊性質(zhì)與具體行為，產(chǎn)生條件與發(fā)生大小同樣受幾方面因素影響，如入射光光譜成分（頻率、強(qiáng)度）、金屬板材料以及外電場(chǎng)電壓（正反向和大?。┑纫蛩兀拗菩暂^強(qiáng)，是物理學(xué)學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)。因此，為進(jìn)一步突破教學(xué)難點(diǎn)，深入了解光電效應(yīng)具體發(fā)生規(guī)律，本文將重點(diǎn)分析與研究光電效應(yīng)中多光子吸收與光電效應(yīng)規(guī)律。

1多光子吸收概念闡述及過(guò)程

1.1多光子吸收概念闡述

從概念角度來(lái)看，多光子吸收是一種非線性光學(xué)效應(yīng)。在高強(qiáng)度激光束照射下，物質(zhì)有可能同時(shí)吸收幾個(gè)、甚至幾十個(gè)光子，也可理解為多個(gè)光子同時(shí)被吸收，物質(zhì)從初態(tài)躍遷至終態(tài)，而僅僅經(jīng)過(guò)虛設(shè)的中間狀態(tài)。

從應(yīng)用范圍角度來(lái)看，多光子吸收可能會(huì)伴隨多光子發(fā)射及電導(dǎo)光電、熒光、離解、光化學(xué)反應(yīng)等多光子效應(yīng)，這些現(xiàn)象反過(guò)來(lái)也有助于多光子吸收過(guò)程研究。激光照射所引起多光子吸收過(guò)程已成功用于同位素硫分離，且在光譜學(xué)、物性研究、同位素分離以及光化學(xué)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

1.2多光子吸收過(guò)程

愛(ài)因斯坦曾提出光量子假設(shè)，為光電效應(yīng)出現(xiàn)做了個(gè)成功解釋，但是其研究?jī)?nèi)容仍有著巨大局限性。二十年代末，有人就金屬中的電子是否僅僅局限于吸收一個(gè)光子這一話題提出質(zhì)疑，認(rèn)為金屬中的電子可能同時(shí)吸收兩個(gè)或者多個(gè)光子，甚至是無(wú)數(shù)個(gè)光子。愛(ài)因斯坦在提出假設(shè)之際，亦發(fā)現(xiàn)此種可能性。在分析熒光輻射時(shí)，他以為在某種特定情況下，斯托克斯定律的偏離可以認(rèn)同。當(dāng)提出光電效應(yīng)方程式后，他再次提出在探索此規(guī)律適用范圍時(shí)要遵循基本規(guī)律。

1931年至1975年間，許多實(shí)驗(yàn)皆證明光電效應(yīng)中多光子吸收可能性較大。

1931年，M。Gopperr? Mayer使用量子力學(xué)成功計(jì)算出輻射和原子系統(tǒng)相互作用問(wèn)題，并提出，當(dāng)金屬在強(qiáng)光照射下，其中電子可能同時(shí)吸收多個(gè)光子。

1961年，M.Kaiser等人用紅寶石激光器所發(fā)出的6943紅光照射道摻有的上，發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度為4250，熒光強(qiáng)度隨著入射激光強(qiáng)度增強(qiáng)而加大。經(jīng)過(guò)一系列分析與數(shù)據(jù)對(duì)比，判定此過(guò)程為雙光子吸收過(guò)程。

1964年，M.C.Teich等人初次證實(shí)金屬面上雙光子吸收過(guò)程，雙光子光電效應(yīng)正式實(shí)現(xiàn)。

1967年，Gy.Farkas使用紅寶石激光在照射在金和銀上面，成功證實(shí)三光子吸收過(guò)程。

1975年，N.Bloemberger使用Nd：YAG激光照射在鎢上面，成功證實(shí)四光子吸收過(guò)程。

以上事實(shí)充分排除金屬中電子只能同時(shí)吸收一個(gè)光子這一研究結(jié)論，成功證實(shí)光電效應(yīng)中多光子吸收的可能性。

2光電效應(yīng)及其規(guī)律

2.1光電效應(yīng)概述

2.1.1光電效應(yīng)產(chǎn)生背景

光電效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象，在光照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)進(jìn)而形成電流，通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō)，便是光生電。光電現(xiàn)象由赫茲于1887年在實(shí)驗(yàn)研究麥克斯韋電磁理論時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，為探索光的粒子性和建立光子說(shuō)奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)有許多物理學(xué)家陸續(xù)證實(shí)這一現(xiàn)象。

1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯證實(shí)是在放電期間出現(xiàn)荷電體的緣故。

1899年，J.J.湯姆孫銅鼓實(shí)驗(yàn)證實(shí)該荷電體育陰極射線皆是電子流。

1899年至1902年間，勒納德就光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并且成功命名為光電效應(yīng)。

1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》，并用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行全面解釋。

1916年，美國(guó)科學(xué)家密立根通過(guò)精細(xì)實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)愛(ài)因斯坦理論解釋，進(jìn)而證實(shí)了光量子理論。

2.1.2光電效應(yīng)基本概念

在實(shí)驗(yàn)研究中，光電效應(yīng)充分說(shuō)明光具有粒子性，同時(shí)光也具有波動(dòng)性。當(dāng)光的頻率超過(guò)某一極限頻率時(shí)，受光照射的金屬表面便會(huì)產(chǎn)生光電子，進(jìn)而發(fā)生光電效應(yīng)。如果在金屬表面加一個(gè)閉合電路，并且加上正向電源，這些光電子全部叨叨陽(yáng)極后便能形成所謂的光電流。在入射光保持一定時(shí)，增大光電管兩極正向電壓，提高光電子動(dòng)能，光電流會(huì)隨之增大，但是光電流并不會(huì)無(wú)限增大，最終固定在某個(gè)值上，又稱飽和電流。因此，當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，根據(jù)光子假設(shè)，決定于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的光子數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)金屬表面光子數(shù)也會(huì)增多，進(jìn)而使得光子與金屬中的電子碰撞次數(shù)增多，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出光電子增多，飽和電流隨之增大。

2.2光電效應(yīng)規(guī)律

從光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中來(lái)看，光電效應(yīng)有如下幾種規(guī)律：一是飽和光電流與入射光強(qiáng)度城正比。若使用一定頻率與強(qiáng)度的單色光照射陰極，改變兩極電壓，可知光電流隨著電壓增大而增大，并逐漸趨于飽和狀態(tài)。另外，光電流隨著入射光強(qiáng)度增大而增多;二是光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子速度與光的頻率有關(guān)，與入射光強(qiáng)度無(wú)光。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩極電壓調(diào)制為零時(shí)，光電流并不為零，只有電壓小于截止電壓時(shí)，光電流才會(huì)為零。這充分表明從陰極逸出的光電子具有一定初動(dòng)能，光電效應(yīng)中產(chǎn)生的電子速度與光入射強(qiáng)度無(wú)關(guān);三是每種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)皆存在極限頻率，即照射光的頻率不能低于某一臨界值。當(dāng)入射光頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)法產(chǎn)生光電效應(yīng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在金屬相同情況下，當(dāng)入射光頻率低于極限頻率時(shí)，光電子最大初動(dòng)能為零。如果再次降低入射光頻率，那么無(wú)論入射光強(qiáng)度多大，皆無(wú)法產(chǎn)生光電效應(yīng)，說(shuō)明光電效應(yīng)產(chǎn)生前提條件為入射光頻率大于極限頻率;四是光電效應(yīng)產(chǎn)生具有瞬時(shí)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬極限頻率，光亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子幾乎都是瞬時(shí)產(chǎn)生，響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

第一作者：王良（1989.05—），男，漢族，山東省淄博市人，本科，研究方向：光電效應(yīng)電磁說(shuō)及光波性質(zhì)探討。

第二作者：夏雪（1992.06—），女，漢族，山東省濟(jì)南市人，碩士研究生。

第三作者：魏南（1996.08—），女，漢族，吉林省榆樹(shù)市人，?？?，研究方向：多光子吸收與光電效應(yīng)規(guī)律研究。