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学科教育论文-对光电效应中几个问题的讨论.doc

学科教育论文-对光电效应中几个问题的讨论.doc

上传者: 水水的天空78 2017-10-18 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《学科教育论文-对光电效应中几个问题的讨论doc》,可适用于综合领域,主题内容包含学科教育论文对光电效应中几个问题的讨论对光电效应中几个问题的讨论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。中符等。

学科教育论文对光电效应中几个问题的讨论对光电效应中几个问题的讨论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。中学物理中编入这一其目的在于引入光子概念为说明光的粒子性提供依据。因限于中学阶段物理知识水平教材不可能详细阐述其产生机理因此在教学实践中易产生一些模糊认识。本文就下述几个谈谈看法以供。一、光的产生金属及其化合物在光的照射下释放出电子的现象叫光电效应现象释放出来的电子叫光电子。光电效应的实验必须用爱因斯坦光子解释。在教学中经常遇到学生提问:吸收光子的电子是金属中的什么电子?是束缚电子还是自由电子?这个问题值得考虑。吸收光子的电子应该是金属中的自由电子而非束缚电子。如下如果是束缚电子根据能量守恒定律其光电效应方程应为:式中W是电子越过金属表面时克服表面势垒所做的功E是束缚在某壳层上的电子电离出来所需的能量。实际上许多金属的逸出功的值约为eV比E的值要小得多而和W相当。例如铯的最低电离能约为eV,其逸出功约为eV如用eV的光子入能使铯产生光电效应而不能使铯的束缚电子电离。很显然逸出的光电子并非是束缚态的电子。那么电子克服表面势垒所做的功W与逸出的功的关系怎样?在金属表面附近由于垂直于表面的晶体周期性中断作用在表面原子内外两侧的力失去平衡相应的电子密度分布也发生变化通过表面原子和电子自洽相互作用使得表面原子和电子分布趋向新的平衡在表面区出现电偶极层电子穿越该层区逸出表面时要克服电场力做功。此功与逸出功的值正好相当。由上述可知光电效应中光电子是金属中自由电子吸收了光子的能量而产生的。当然如果光子能量大于原子的电离能则束缚电子也可以成为光电子。由于普通光电效应中入射光子的能量并非很高因此不可能使束缚电子逸出。如若电子能量过高则会发生康普顿效应而非光电效应。因为不同能区的光子与金属发生相互作用时会产生不同的效应。当入射光子的能量较低时(hv<MeV)以产生光电效应为主入射光子能量很高时(hv>MeV)光子可产生正负电子对入射光子能量介于以上能区之间时其能量的衰减主要取决于康普顿散射。二、金属的极限频率在光电效应实验中每种金属都存在一个极限频率当入射光的频率低于极限频率时不管入射光多强都不会有光电子逸出只有当入射光的频率高于极限频率时金属才会发射光电子产生光电效应。上述实验现象可以用光子理论解释。电子由金属逸出至少需做一定量的功W称为此金属的逸出功。光照在金属上。电子一次吸收一个光子的能量hv。如果hv<W即没有光电效应。故光子能量应大于W。由此可见金属的极限频率决定于式:hvo=W。如果电子能够将光子能量积聚起来即电子吸收一个光子后待一段时间再吸收一个光子或者一个电子能同时吸收两个甚至更多个光子则光子理论就无法解释为什么会存在极限频率。因为一个光子的能量若小于逸出功那么多个光子的能量总和可以高于逸出功所以无论什么频率的光都可以产生光电效应不可能出现极限频率。所谓电子积聚能量是指电子获得一个光子后将能量保存下来直到再吸收一个光子。事实上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。根据热力学原理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秒。而在这么短的时间内电子再吸收一个光子的可能性究竟有多大呢?一般光电效应实验所用的光源是普通光源普通光源其发光机制以自发辐射为主光强较弱。我们不妨设入射光的强度为瓦厘米(在普通光源中光强很高了)频率为赫的光在-秒内流过每平方厘米的光子数为:个厘米金属原子间距离的数量级为-厘米若每个原子提供一个电子的话每平方厘米就有个电子以电子能够吸收到一个原子大小范围内的光子则吸收到一个光子的概率是而在-秒内一个连续吸收两个光子的概率是()=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所以此类问题不宜在中学物理中讨论。

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