光电效应课堂教学的深入思考

《光电效应》课堂教学的深入思考

郭亚锋

（ 浙江省象山中学 浙江 宁波 315700）

光电效应这一节课中，对于某一种确定的金属，如果入射光的频率大于极限频率?c且大小保持不变时，饱和电流的大小和光照强度成正比.这个规律刚好反映光子的粒子性，因为光照强度与光子数目成正比，光照强度增加光子数目也相应的增加,单位时间内从阴极板溢出的电子数目增加，所以饱和电流也增大。光照强度不变时饱和电流和入射光的频率?又有怎样的关系呢？笔者在教学过程中大多数学生认为是频率增大,饱和电流也增大,也有少数同学给出自己的理论推导认为,频率增大饱和电流变小.那么，到底光照强度不变时，饱和电流和频率之间有怎样的关系呢？笔者查阅了大量的文献和不同的课本，他们有不同的说法，笔者认为这些说法都不是很完善，甚至有误导作用。所以，此结论做深入的分析如下。

观点1：光强一定时，饱和电流随入射光频率的增大而减小 学生自己分析的依据是：光电效应实验中的饱和电流大小：

I?ne （1） e为元电荷量，n为单位时间从金属表面溢出的光子数。光强是单位面积接收到可见光能流密度。

E?Nh?/At （2） E是光照强度，N是单位面积接受到的光子数，?是光子频率，A是照射区域面积。当光子的频率增大时，每个光子的能量增大，光强一定单位面积照射的总能量不变，照射到单位面积的光子数减少，所以可以吸收到光子的电子数量减少，相应的金属表面可以溢出的光子数减少，饱和电流会减少。甚至学生还自己还收集到这样的结果在某些教材和课后习题【1】中呈现出来。

例题1，以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电流的曲线如图中实线所示，然后在光强不变的条件下增大照射光的频率。测出其光电流的曲线如图中虚线所示。

按此理论满足题意的图是：d选项

例题2．关于光电效应，下列说法中正确的是( )

图1 A．光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大

B．只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应 C．在光电效应中，饱和电流的大小与入射光的频率无关

D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能使它发生光电效应 答案：D

参考答案解析：由光电效应的实验规律可知，选项D正确；由光电效应方程可以推出光电子的最大初动能应随着入射光频率的增大而增大，选项A错误；饱和光电流的大小与光强有关，入射光频率一定时，饱和光电流大小与光强成正比，若是光强一定，入射光的频率越高，则光子数就少，饱和光电流就小了，所以选项C错误；能否发生光电效应，与照射的时间长短及入射光的强度无关，选项B错误

分析高中试题和大学的教材不难看出大多数教师和学生都能接受这个观点。

观点2：光强一定，饱和电流随入射光频率的增大而增大

学生自己查资料的依据是：光强不变，单位时间内有十个光子被电子吸收，吸收后所形成的十个光电子并不是全部从金属表面飞出。靠近金属表面的电子受到金属内原子核的束缚比较弱，故很容易飞出，但内部的就不一定，所以这十个电子可能只有六个能飞出金属形成光电流。如果在入射光强度不变的情况下增大入射光的频率，虽然可能只有八个光子被八个电子吸收形成光电子，但这八个光电子的能量比较大，能够脱离金属内原子核束缚的能力比较强。这样可能就会有八个电子能飞出金属形成光电流，入射光频率增大很显然饱和光电流增大。这种观点是根据光电效应的截止频率，自己的一种主观臆断，缺少实验依据。

光强一定，饱和电流随入射光频率的正确解释。

那么光强一定时，饱和电流和辐射光的频率有怎样的关系呢？笔者查阅了大量文献资料，先分析如下：

I?ne （1）

e为元电荷量，n为单位时间从金属表面溢出的光子数。光强是单位面积接收到可见光能流密度。

E?Nh?/At （2）

照射到金属表面的光子，并不是每一个光子都能打出一个光电子，也就是说存在一个光电效应效率因子?：

??n （3） N实验表明，光电效应的效率和入射光的频率有关系，笔者查阅了文献得到实验【2】结果，如图2所示，光电效率与所用的阴极材料和入射光的波长有关，图2给出了3种不同材料的光电效应效率和波长的关系图像，其中每一种材料的在不同的入射光波长下，都有一个峰值。这说明不同材料的光电效效率有一个最大效率波长，即有一个最大效率频率，不难得知饱和光电流并不是随着入射光频率的变化而线性变化，有一个峰值。所以，光照强度一定时，饱和电流随入射光频率的变化是几个因素共同作用的结果，不能简单的得出他随入射光频率的

图2 增大而增大，或减小而减小。

那么，光强一定时饱和电流随入射光频率的变化能否利用实验得到呢？图3(a)(b)给出了不同材料的光谱特性【3】，(a)和(b)分别是锑铯和银氧铯为阴极的光谱特性，即不同材料灵敏度和入射光频率的关系，灵敏度就是饱和光电流和入射光光强度的比值。光通量一定时，饱和光电流和灵敏度成正比，图3间接地反应了饱和光电流和入射光频率的变化规律。图3(a) 锑铯阴极出现一个峰值，图3(b) 银氧铯出现了两个峰值，所以光强一定时饱和光电流随入射光频率的变化不能很简单的是增大或减小。

参考文献

【1】 姚启钧.光学教程.北京.高等教育出版社.1981

【2】 唐新科.光电效应几个问题的谈论.青海师范大学学报，1993（3） 【3】 杨树理.光电效应实验规律的谬论表述.昆明理工大学学报.1996 (21)

图3