科学解读《光电效应规律》与光子说

为人们更全面认识光的本性的一个重要实验基础——光电效应，已经是高中物理中作为近代

物

理部分的重点。新课程标准人教版教科书《物理》3-5中，对《光电效应规律》有比以前教

材更科学、完整、详细的介绍和讨论。然而由于多种原因，教师在教学中以及教辅书中，对

光子说与《光电效应规律》的解读，不正确、不科学、不完整、不恰当引起的现象比较常见

……

1　光电效应实验规律与光子说

从1887年赫兹在研究电磁波实验中偶尔发现光电效应后，许多物理学家相继进行了实验研究

，发现了以下光电效应实验规律：

(1)存在着饱和光电流。光照条件不变情况下，随着光电管两端电压增大，光电流趋于一

个饱和值。入射光越强，饱和光电流越大。

(2)存在着截止频率。同一金属材料阴极，当入射光的频率小于某一数值νc——截止频率

时，无论光的强度如何变化，阴极不再有电子逸出，不发生光电效应。不同金属的截止频率

νc不同。

(3)遏止电压与入射光频率有关，与光的强度无关。同一金属材料阴极，产生光电效应时

光电管两端使光电流刚好为零的反向电压——遏止电压Uc只随入射光频率增大而增大。

(4)光电效应具有瞬时性。当入射光频率大于截止频率时，从光照射到产生光电子，几乎

不需要时间，与入射光的强度无关。精确测量表明从光照射到产生光电子的时间不超过10

-9 s。

除第1条外，光的经典电磁理论都不能很好解释。爱因斯坦在普朗克量子观点基础上进一步

提出了光子说。按爱因斯坦理论，金属中电子吸收一个光子获得能量hν，这能量中一部分

用来克服金属的逸出功W0，剩下部分表现为逸出金属后电子的初动能Ek。有

hν=[SX(]1[]2[SX)]mv20+W0，

其中W0为金属的逸出功，Ek=[SX(]1[]2[SX)]mv20是光电子最大初动能。这就

是著名的爱因斯坦光电效应方程。光子说成功地解释了光电效应的每一条实验规律。

2　科学解读光电效应实验规律

爱因斯坦光子说使物理学理论与光电效应实验规律之间有了很好的统一。但是在中学物理教

学中，对一些相关的物理概念、光电效应实验规律、光子说的理解不正确、不科学、不到位

，出现了一些不该出现的现象。

2.1　饱和光电流与入射光强度的关系

在教学中，无论是课堂上，还是教辅资料里，经常发现类似这样的命题：

用某一频率的绿光照射某金属时恰好能产生光电效应，则改用强度相同的蓝光和紫

光分别照射该金属，下列说法正确的是

A。用蓝光照射时产生的光电子最大初动能比用紫光时小

B。用蓝光和紫光分别照射相同时间则分别产生的光电子数相同

C。用蓝光照射在相同时间产生的光电子数比用紫光时多

D。用紫光照射在相同时间产生的光电子数比用蓝光多

命题中除A选项是为了说明对同一金属产生的光电子最大初动能与入射光频率有关

，其余B、C、D三选项则是为了说明对同一金属在相同时间里产生光电子数由入射光强度决

定。因此通常给出答案A和B。

笔者认为，光电效应规律中“入射光越强，饱和光电流越大”或者说“ 入射光越强，相同

时间内产生的光电子数越多”这一结论，是有条件的——同种(相同频率)光照射同种金属。

对于不同种光，根据光子说，首先相同的能量有不同数目的光子，即相同强度的不同光在相

同时

间里发射的光子数是不同的。照射到金属表面的光子数直接影响着产生光电子数的多少。再

说照射到金属表面的光子并不是都能产生一个光电子。对不同频率的入射光，由于每个光子

的实际能量不同，照射到金属表面后被电子吸收而能使电子成为光电子的概率肯定不同。可

以认为相同数目的紫光光子照射上述金属表面产生的光电子数一定比蓝光多。因此命题中的

B、C、D的选项是对相同能量(相同强度相同时间)的蓝光与紫光，照射到同一金属表面

时不同的光子数与每个光子能产生光电子的不同概率综合后产生的结果进行选择。也就是说

B、C、D选项通常都具有不确定性，无法正确选择。这是不正确解读光电效应规律而命

题的结果。

2.2　金属的逸出功

教学中也经常发现类似如下命题：

关于光电效应的说法中，正确的有

A。要使光电效应发生，入射光子的能量必须大于原子的电离能

B。……

C。……

D。……

尽管不同教辅资料、不同的命题的答案不相同，但“A”选项还是有相当的“市场”，

且这一类命题的共同点都是将逸出功与原子的电离能联系起来了。

首先在产生光电效应时，金属内自由电子吸收一个光子后，为了逸出金属表面必须克服金属

表面层阻力做功。由于吸收光子后不同电子在金属表面内“深度”与逸出的“路径”不同，

因此

吸收光子后不同电子逸出金属表面克服金属表面层阻力做功多少不同。其中某些电子在吸收

光子后逸出金属表面成为光电子过程中，克服金属表面层阻力做功具有最小值，这种使电子

脱离某种金属所做功的最小值叫这种金属的逸出功。

而在原子电离时，按原子光谱理论，如最简单的氢原子，玻尔理论表明当基态氢原子吸收一

个能量大于等于13.6 eV的光子时，该氢原子核外电子会电离成游离态电子。虽然处于

不同定态的氢原子电离时需要吸收光子的能量最小值不同，但吸收光子的能量都必须足以(

大于等于)使核外电子用来克服原子核对电子的引力(束缚)做功至完全脱离核的束缚。这

种使原子核外电子完全脱离核的束缚成为游离态电子需要的最小能量叫电离能。

笔者认为，光电效应是金属内自由电子吸收光子脱离金属成为光电子，电离是原子中束缚电

子获得能量脱离核束缚成为游离态电子，虽然两者都需克服“外力”做功，都可以吸收的光

子获得能量去克服“外力”做功，但两者本质上没有联系，逸出功数值与电离能多少毫无关

系。无法回答命题中问题，命题不科学。

2.3　光电效应方程的两个意义

爱因斯坦光子说理论认为，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部

分用来克服金属表面层内对电子逸出过程的阻碍作用做的功，剩下部分表现为电子逸出金属

后的初动能。有

hν=[SX(]1[]2[SX)]mv20+W0，

通常认为其中W0为金属的逸出功，[SX(]1[]2[SX)]mv20是光电子最大初动能，并久而

久之使这不但成为是对著名的爱因斯坦光电效应方程的解读定势，而且已经被成为是唯一的

解读。笔者认为，在爱因斯坦的光子说理论基础上建立起来的光电效应方程，具有更普遍意

义——对不具有最大初动能光电子，从金属内吸收光子到逸出金属表面成为光电子过程的能

量关系同样成立。只是W0为对应电子实际用来克服金属表面层内对电子逸出过程的阻碍作

用做的功(大于等于最小值——金属的逸出功)，[SX(]1[]2[SX)]mv20是该光电子初动能

(小于等于最大初动能)。

由于前一解读定势在相关光电效应方程应用的定量计算中不断得到强化，往往对光电效应方

程的普遍意义反被忽略，这是不完整的。

2.4　遏止电压与入射光频率关系的图象

在光电效应实验研究中，光电子最大初动能与入射光频率关系是通过遏止电压与入射光频率

关系反映出来。形象、直观的遏止电压与入射光频率关系就是Uc-ν图象。但在有的教辅

书、练习资料甚至教材里，“为了作图方便”坐标轴交点不选坐标原点。如新课程标准人教

版教科书《物理》3-5第34页中，图17。2-4例题的Uc-ν图象。如图1.

笔者认为，仅仅“为了作图方便”，让“两个坐标轴的交点没有选在原点”的方法有点“化

直观为不直观”的做法会得不偿失，并不恰当。比较坐标轴交点选择在原点，如图2所示，

作出的Uc-ν图象，不但真正形象、直观地揭示了遏止电压与入射光频率线性关系、反映

出截止频率概念，还能通过图象的延长线(用虚线表示它的非实验性)与纵轴交点读数-U0

，计算这种金属的逸出功W0，

W0=eU0，

这与通过截止频率计算金属逸出功不但有同工异曲效果，而且可以成为引导学生“创意”运

用物理图象，解决问题的一个案例。

3　爱因斯坦光子说意义

爱因斯坦光子说理论可以认为完全是在普朗克的量子论基础之上进一步发展起来的，虽有“

完善”之功效，却几乎没有“创新”之意，但其在量子力学建立过程中的意义是十分关键的

。光子说成功解释光电效应实验规律结果，不但表明了爱因斯坦本人对普朗克量子论的接受

，而且更重要的是它宣告量子论不但在其“诞生地”热辐射领域有无法取代的地位，而且在

其它领域——对光电效应现象解释也取得了十分的成功。这是对量子论是一种科学理论的最

有力证明。历史事实也证明，从爱因斯坦的光子说后，量子力学才真正迅速发展和建立起来

。光子说是量子力学发展史上的一个里程碑。