潘瑩瑩 劉亞英 孟衛(wèi)東(正高級教師)

(清華大學附屬中學永豐學校)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學習高中物理的過程中,小物經(jīng)常向小理提出許多刁鉆而有趣的問題,了解他們的故事也能讓你的物理達到新的高度.

1 對話錄

小物:我今天看到一篇文章——《愛因斯坦與普朗克——紀念光電效應獲獎100周年》,感慨頗深.文中講到的光電效應原理、規(guī)律以及發(fā)現(xiàn)過程都展現(xiàn)了豐富的科學智慧,所蘊含的科學思想、研究方法對我們理解世界、探索未知規(guī)律有著極其豐富的價值.

小理:說得非常對,光電效應在歷史上第一次證明了光具有粒子性,在物理學史上有著相當高的地位,不過你今天怎么會有這么一番感慨呢?

小物:哎,說來真是慚愧啊,光電效應這么有價值,我卻還有好多問題不太明白.

小理:說來聽聽,什么問題呢?

小物:比如說一個電子是只能吸收一個光子嗎?為什么不能一次吸收多個光子呢?

小理:嘿,別說,你問的這個問題特別有代表性,是光電效應的疑難問題呢,說明你真正思考了,我今天就給你好好講講光電效應這個問題.

2 小理的介紹

小理:我們先介紹一下什么是光電效應吧! 光電效應是物理學中一個重要而神奇的現(xiàn)象,在光的照射下,金屬內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流,即光可以產(chǎn)生電.在人教版高中選擇性必修3課本中有這樣一張圖片(如圖1),把鋅板和驗電器相連,使鋅板帶負電,則驗電器指針張開.用紫外線燈照射鋅板,則看到驗電器的指針夾角變小了,這說明鋅板帶的負電荷減少了.這意味著紫外線讓電子從鋅板的表面逸出了.

圖1

研究發(fā)現(xiàn),任何一種金屬,都有一個極限頻率,入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象,低于這個頻率的光不能讓此金屬產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象.

小物:太神奇了! 為什么光照會讓金屬的內(nèi)部電子逸出呢?

小理:電子要想脫離某種金屬,需要外界對它做功,這個功的最小值叫作逸出功(W0).也就是說電子至少要吸收W0的能量才能從金屬中脫離.愛因斯坦認為光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的,頻率為ν的光的能量子為hν,這些能量子被稱為光子.當光照射到金屬表面上時,金屬中的電子可以吸收一個光子的能量,若電子吸收的光子的能量超過逸出功,則電子就能從金屬表面逸出.在這些能量中,一部分大小為W0的能量用來克服逸出功,剩下的能量則是電子逸出后的初動能Ek,即hν＝W0＋Ek.這個實驗證明了光具有粒子性.

小物:哦,理解了! 那為什么一個電子只能吸收一個光子呢?

小理:這個問題問得非常好! 我們在高中階段學的光電效應是單光子光電效應,即電子一次性吸收一個光子的全部能量,這個過程非常之快,不需要積累能量的時間,光電流幾乎是瞬時產(chǎn)生的,根據(jù)實驗估計一般不會超過10－8s,在學術(shù)界有人通過研究計算表明,10－8s之內(nèi)一個光子碰到電子的機會為10－18,那么一個電子同時吸收兩個光子的概率為10－36.

小物:這個概率小到幾乎為零啊.這就是一個電子只能吸收一個光子的原因了吧?

小理:是的,這就是我們所學的單光子光電效應,但其實從原則上來說,只要入射光足夠強,光子密度足夠大,電子是可以再吸收一個光子的.

小物:哦? 怎么講?

小理:我們剛才所講的是使用普通光源的情況,電子吸收兩個以上光子能量的概率是非常非常小的,幾乎為零.愛因斯坦對此問題也有非常形象化的論述:光電效應中的一個電子吸收兩個光子的概率不會大于下雨天兩個雨滴同時打在一只螞蟻身上的概率.

但實際上,愛因斯坦在其所寫的光電效應論文中就已經(jīng)提出:如果光強超過某一個數(shù)值,在光電效應實驗中就可以檢測到一個電子在同一時刻吸收兩個以上(含兩個)光子的現(xiàn)象.

小物:哦,使用普通光源做光電效應實驗,電子吸收兩個以上光子能量的概率幾乎為零,那后來隨著科技的發(fā)展,社會的進步,肯定出現(xiàn)其他特殊光源了吧?

小理:當然,后來發(fā)現(xiàn)了強激光,隨著強激光的出現(xiàn),人們對于光電效應的認識更加豐富了.強激光,顧名思義就是發(fā)射的激光功率很大,也就是光子密度極大.從理論上講,用強激光照射金屬,一個電子在一段時間內(nèi)吸收多個光子是可能的,可以形成多光子光電效應.

小物:哇,厲害厲害,今天我學到了.

小理:其實光電效應還有很多值得我們?nèi)W習和探究的點.比如說,對于多光子光電效應,愛因斯坦光電效應方程可以推廣為

小物:方程都發(fā)生變化了,那相比單光子光電效應,多光子光電效應的規(guī)律就會發(fā)生變化了吧?

小理:是的,你說的沒錯,咱們一起來總結(jié)一下!

1)光電子的最大初動能隨著光強的增大而呈現(xiàn)臺階式遞增.

3)多光子光電效應中電子對光子的響應與單光子情形差異不大,仍具有瞬時性.

小物:今天我真的是收獲滿滿啊,對光電效應的了解更上了一個臺階.

小理:光電效應在物理學發(fā)展的長河中,還有更加深遠的意義,它不但證明了光的粒子性,還為物理學開辟了新的應用領(lǐng)域,為科學發(fā)展積淀了寶貴的物質(zhì)和精神財富.

(完)