光电效应范文

光电效应范文第1篇

一、光电子的产生

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。光电效应的实验规律必须用爱因斯坦光子理论解释。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。分析如下，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2.0—7.0eV，比E的值要小得多，而和W相当。例如铯的最低电离能约为3.9eV,其逸出功约为1.9eV，如用1.9—3.9eV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<0.5MeV）以产生光电效应为主；入射光子能量很高时(hv>10MeV)，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10-8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100瓦/厘米2（在普通光源中光强很高了），频率为6.0×1014赫的光在10－8秒内流过每平方厘米的光子数为：

个/厘米2

金属原子间距离的数量级为10－8厘米，若每个原子提供一个电子的话，每平方厘米就有1016个电子，以电子能够吸收到一个原子大小范围内的光子计算，则吸收到一个光子的概率是

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而在10－8秒内一个电子连续吸收两个光子的概率是(2.5×10-4)2=6.25×10-8

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。多光子吸收在理论上（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规律，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问题

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。

光电效应范文第2篇

其实问题非常简单，虽然组成光的能量是一份一份的，即量子化的，但光并不是由粒子构成的。谬误的成因在于一开始许多研究者包括爱因斯坦，在运用光的波动性描述光电效应的时候，完全忽略了光的电磁属性这一真正起主导作用的内在机制。

光是带电粒子振动或碰撞时产生的由电场和磁场交错组合传播形成的波形能量，所以称作电磁波，具有微弱的动量及压力。光中包含的电磁场与带电粒子接触时能产生电磁相互作用，这一点是形成光电效应的基础和基本作用力来源。

组成光的能量以频率为单位，每一个频率可以看做一个波包，当然可以用光子描述，但光子并不是粒子。每一个波包携带的能量都是相等的，包含彼此分开的强度相等的电场和磁场。频率高的光，比如紫外线，携带的光子数量多密度大，当一条紫外线照射金属时，光线中能够与电子发生相互作用的电磁力较多因而较强，所以能够以电磁感应的形式激发电子离开金属产生光电效应，更多的紫外线也就理所当然地能够激发更多的光电效应；反之，频率低的光比如红光、黄光，因为光子稀疏，电磁能含量少因而较弱，无法有效地驱动电子离开金属，更多这样的光线只代表有更多这样的弱力，因此再多低频率的光也无法让金属表面产生光电效应。

可见，在光电效应中，电子并不是吸收了光的温度来增强自身热运动才离开原子成为光电子的，不论在哪种频率的光线中，每一个电子的能量都是相等的，光的频率对应光子的数量。光电效应的物理机制简而言之，就是高频电磁波作用于金属表面时产生的电离作用，也是电磁感应的一种形式，其作用原理在微观上与天线接收无线电信号在内部产生相同频率的电流是一致的，区别仅仅在于表现的形式：一个让电子飞出表面形成光电子，一个让电子在内部流动成为弱电流。

光电效应范文第3篇

我们先看方程的各物理量含义。方程中的h?酌是爱因斯坦光子说中的光子的能量，即E=h?酌 ，它与普朗克定义电磁波的能量所用的公式完全一样，其中h是普朗克常量，而?酌 则是电磁波或光的频率，所以，在光电效应现象中，如果用不同频率的光来照射某一抛光金属，进入到该金属原子中的光的能量也会随频率不同而不同。结果，我们发现并不是所有频率的入射光都能使该金属发生光电效应，即只有入射光的能量值大于或等于某一具体数值时，才有光电效应现象产生，我们就将该金属的这一具体数值称为逸出功W，就是指该金属内的自由电子在逃出原子的过程中，克服原子核的引力作用所做的功。很明显，如果入射光子的能量小于该金属的逸出功，则自由电子吸收光子后只是能量比以前有所增大，但仍不能脱离原子核的吸引，也就不能变成光电子，不能发生光电效应。

需要注意的是：金属内自由电子在捕获光子时只能捕获一个光子，且只能捕获一次，这样一来，如果入射光能量不够，即便照射的强度再高、时间再长，也不能发生光电效应。这正是入射光的频率要大于金属的极限频率才能发生光电效应的原因。

在满足了发生光电效应的条件后，入射光的能量就大于或等于了金属的逸出功，这样电子就可以脱离原子，所剩能量（即h?酌-W）便以动能的形式存在，刚一脱离原子时的动能我们就称为最大初动能EK，若是入射光的能量（频率）恰等于金属逸出功（金属极限频率），则电子脱离原子时所剩能量为零，最大初动能为零。这就是刚好发生光电效应现象的临界状态。

学习爱因斯坦光电效应方程的主要目的就是要用来解释光电效应现象，之前我们先举一个小例子：某人分文没有却梦想着要出国，一次偶然机会他买中了20万元，于是立刻办出国手续，手续办完到了外国，前前后后共用去了20万元，于是他刚一来到梦想中的天堂却又变成了一个分文没有的穷光蛋。当然我们可以把条件改一下：中了200万元，则结果是：到了外国仍拥有资产180万元。这里面有一个很简单的数学关系问题，他所拥有的外来财富20万元（或200万元）=出国所需花销20万+刚到国外时所拥有的资产0元（或180万元）。即外来财富有两个去向，其一，出国所需花销，其二，刚到国外时的最大资产。光电效应现象的解释与上面这个例子很相似，当大于金属极限频率的入射光入射时，金属内部的自由电子就捕获一个光子，这时自由电子所吸收的光子能量h?酌有两个用处，首先，克服原子核的引力做功消耗掉一部分能量,即逸出功W,此时电子脱离原子变成光电子，另外一部分能量以最大初动能EK的形式出现，用公式表达即为h?酌=W+EK；当然，如果是临界态，则公式将变为h?酌0=W。

光电效应范文第4篇

关键词： 光电效应 爱因斯坦量子理论 微粒说 波动说

灿烂的阳光照亮了地球，给地球带来了生命和活力，人们之所以能看到五彩缤纷、瞬息万变的世界，是因为眼睛接收到物体的发射，反射或散射得光。那么光到底是什么呢？即光的本性是什么？这一直是学者们注意和探讨的中心。到了17世纪，由于光学得到了一定的发展，因而关于光的本性问题引起人们越来越大的兴趣。

一、世纪中叶至19世纪：光的微粒说和波动说

鉴于17世纪的水平，人们只能把光与两种传递能量的机械运动相类比，分别提出了关于光本性的两种学说：微粒说和波动说。光的微粒说认为光是由光源发射的一束微粒流。由此很容易解释直线传播定律和反射定律以及光在折射率较大的媒质中传播速度较快的结论。然而微粒说对干涉、衍射、偏振等现象的解释相当勉强。而光的波动说认为，光是一种特殊媒质――“以太”的波动。通过与机械类比，波动说很容易定性地说明干涉和衍射现象，但不能定量地说明干涉和衍射现象，甚至不能圆满地解释直线传播规律。因此，多数科学家在17和18世纪倾向于微粒说。

19世纪初，英国的杨氏（T.Yong）完成了著名的“杨氏干涉实验”，提出“干涉原理”。1815年，法国的菲涅耳（A.JFresnel）使用数学工具对光做了定量论证，提出了“惠更斯―菲涅耳原理”。该原理用波动理论完满地解释了光的直线传播定律，定量地给出了圆孔的衍射图形的强度分布。随后阿喇戈（D.Arago）用实验证明了菲涅耳理论，给予强力支持。1817年，杨氏明确指出，光波是一种横波，1850年，法国的博科（J.B.L.Foucault）公布了他在实验室中测定的光速数据，肯定了光在水（折射率较大）中的传播速度小于在空气（折射率较小）中的速度。自此，波动说的优势明显体现。

二、光电效应

1.光电效应的发现

在19世纪末，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功。但是，就在这时候，又发现了用波动说无法解释的新现象――光电效应。

光电效应是指在光的照射下物体发射电子的现象。它是赫兹在1887年最早发现的。赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，无意中注意到如果接受电磁波的电极之一受到紫外线照射，火花放电就变得容易发生。1888年，霍尔瓦斯（1859―1922）证实了这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。电子发现后，1902年，德国物理学家勒纳德（1862―1947）证明了这一荷电体即为电子。

随着研究的深入，勒纳德用各种频率的光照射钠汞合金时，发现了金属在某些频率的光照射下会发射出电子来，就好像这些电子被光从金属表面打出来一样。他对这一现象进行了系统的实验研究，并总结出了如下两条经验规律。

（1）当光的频率高与某一定值时，才能从某一金属表面打出电子来，被打出的电子的能量（或速度）只与光的频率有关，而与光的强度无关，电子的能量随光的频率的增高而增大。

（2）被打出的电子的数目与光的强度有关而与光的频率无关。

勒纳德首先将这一现象称之为光电效应。这两条实验规律用经典物理学的理论是无论如何解释不了的。按照波动理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，跟频率无关。因此，不论光的频率如何，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都应该有足够的能量产生光电效应，极限频率的存在变得无法理解。

2.光电效应实验及规律

1887年赫兹在进行著名的验证电磁波存在的实验时发现，如果接收线路中两个小铅球之一受到紫外线照射时，两小球间很容易有火花跳过。此后，其他科学家进一步研究表明，这种现象是由于光照射在小锌球上，锌球内的电子吸收了光的能量而逸出球表面，成为空中自由移动电荷所造成的。这种由于光照射是电子逸出金属表面的现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。

上图是研究光电效应的实验原理图及伏安特性曲线图。在高真空玻璃管内装有阴极K，在两极之间加上电压，阴极K不受光照时，管中没有电流通过，说明K、A之间绝缘。当有适当频率的光通过窗口照射到阴极K上时，使得有光电子逸出，在电场力作用下光电子飞向阳极A形成电流，这种电流称为光电流。电路中有电压表和电流计分别测定两极间的电压和产生的光电流大小。实验结果表明，光电效应有以下规律。

（1）存在饱和电流。图8.2.1-2是用不同强度，而频率相同的光照射阴极k时，得到的光电流I随电压V变化的实验曲线（称伏安特性曲线）。由图中可以看出，光电流随电压的增大而增大。然而，当加速电压超过某一量值时，光电流达到饱和。这说明单位时间从阴极逸出的光电子数目n是一定的，当光电流达到饱和值Im时，显然有Im=ne。如果增大光的强度，实验表明，在相同的加速电压下，饱和电流也增加，并且与光强成正比。这说明n与光强成正比。

（2）存在反向截止电压。由上图可知，只有当V=-V时，光电流才降为零，这个反向电压称为反向截止电压。这说明光电子逸出金属后仍具有一定的初动能，光电子甚至能克服反向电压飞到阳极，除非反向电压达到一定的程度。当入射光强改变时，截至电压不变，这意味着光电子的最大初动能与入射光强无关。

（3）存在截止频率（红限）。如果用不同频率的光照射阴极K，发现截止电压V，随入射光的频率的增大而增高，两者呈线性关系，如图，即V=K（V-V）。对于不同的金属材料，具有不同的K和不同的V值。实验还发现，当入射光频率低于某一临界值时，不论光强多大，也不论照射多久，都不会发生光电效应。此临界频率称为光电效应的截止频率。

（4）弛豫时间极短，从光照射到阴极K上，到发射出光子所需要的时间称为光电效应的弛豫时间，实验表明，只要频率大于截止频率，无论光照如何微弱，几乎在照射到阴极K的同时就会产生光电子，弛豫时间不超过10s。通过实验看到，光的经典理论在此时遇到了重重困难。

3.爱因斯坦的光量子理论及其对光电效应现象的解释

1905年爱因斯坦发表了论文“关于光的产生和转化的一个启发式的一个启发性观点”，成功地解释了光电效应并确定了它的规律。他以勒纳利总结出的光电效应的性质作为光的微粒说的依据，并且和德国物理学家普朗克的量子假设结合起来，提出了量子假说：他认为光（电磁辐射）是由光量子组成，每个光量子的能量E与辐射频率υ的关系是E=hυ。1916年爱因斯坦的光量子假说被实验所证实。1923年康普顿（Compton）散射实验再次提供有力的验证。至此，爱因斯坦的光量子假说克服了经典理论遇到的困难，成功圆满地解释了光电效应中观察到的实验现象。

三、光的本性

按照爱因斯坦的量子理论，频率为υ的光子具有的能量E和动量P：

E=hυ

P=hυ/c=h/λ

在以上两式中，等号左边表示微粒的性质，即光子的能量和动量；等号的右边则表示波动的性质，即电磁波的频率和波长。这两种性质通过普朗克常数h定量的联系起来。爱因斯坦公式表明，光子同时具有波动和微粒两重性。所谓“波动性”是指光场满足叠加原理，能产生诸如干涉、衍射这类体现波动性的现象；而所谓“微粒性”则指光子作为整体行为所呈现的不可分割性。光子只能单个整体被吸收或发射，不存在“半个”或“几分之一”个光子。交换光子的能量或动量只能用爱因斯坦公式给出的单元进行。

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波粒二象性并非光子单独具有的性质。1923年德布洛意（L.deBroglie）受到普朗克和爱因斯坦关于光的微粒性理论取得成功的启发，提出了微观粒子也具有波粒二象性的假设。他提出，伴随着所有实物粒子，如电子、质子、中子等，都有一种物质波，其波长与粒子的动量成反比：λ=h/p，式中h为谱朗克常数，这种波现称为德布洛意波，由上式所决定的波长叫做德布洛意波长。在一定的场合下，微观粒子的这种波动性就会明显地表现出来。例如让电子束穿过细晶体粉末获薄金属片后正像X射线一样也产生衍射现象。电子显微镜就是利用电子衍射的原理制成的。

在人们所习惯的经典图像中，波是连续的非局域的且扩展于空间；而粒子是离散的，集中于一点，如何把这两种截然相反的属性赋予同一实体？初看起来，很难想象。下面我们用单电子干涉实验来回答这个问题。电子杨氏双缝干涉是最典型的实物粒子干涉实验。这个实验表明，当少量电子通过仪器落在屏上时，其分布看起来是离散的、毫无规律的，并不形成暗淡的干涉条纹，这显示了电子的“粒子性”。但大量电子通过仪器时，则在屏上形成清晰的干涉条纹，这又显示了电子的“波动性”。

那么有人可能会问，双缝干涉条纹的产生（即粒子的波动性）是否由于大量粒子之间相互作用的结果呢？1949年毕伯曼等人成功地做了单电子衍射实验，结果表明，衍射图样的产生绝非大量电子相互作用的结果。

单电子干涉，衍射实验表明，波动性是每个电子本身固有的属性，电子的干涉（密度的重新分布）是自身的干涉，而不是不同电子间的干涉，或者说波动性和粒子性一样，是每个电子的属性，而不是大量电子在一起时才有的属性。若采用单个光子来代替实验中的电子。结果也完全相同。

四、光的波粒二象性

光的波动性和粒子性既对立又统一，波粒二象性是粒子性和波动性的统一应从两方面去理解。

1.光子的能量公式：E=hυ，式中的E是光子能量，是不连续的，一份一份的，量子化的。这是光的粒子性的特性，式中的υ是光波频率，它表现的是波动性的特性。

2.波粒二象性中的粒子并不是宏观的粒子，波也不是宏观的波，而是指微观的光子物质波，微观世界有其自身的规律，不能简单套用宏观世界的结论。个别光子表现粒子性，而大量光子表现波动性；低频光子表现波动性，而高频光子表现粒子性。

光的本性一系列的假设，从微粒说到光子说，从波动说到电磁说，到最后统一为波粒二象性，经历了几百年漫长而曲折的认识过程，以牛顿为代表的微粒说既有古希腊人的光粒子学说的痕迹，但又有所不同；麦克斯韦的电磁说使惠更斯的波动说摆脱了机械波的束缚，是人类对光的本性认识的一大飞跃，同样爱因斯坦的光子说又与牛顿的机械微粒有着本质的区别，因为光子说已不是经典的机械微粒，光子说的提出又是一大飞跃。

参考文献：

［1］吴强.光学.科学出版社，2006.

［2］赵达尊，张怀玉.波动光学.宇航出版社.

［3］中学物理教学参考，2005，（4），34，4.

［4］物理教师，2005，4，26.

［5］曾心愉等.光的波粒二象性，［J］.大学物理，1993，12，（9）.

［6］赵凯华，钟锡华.光学.北京大学出版社，2000.

［7］喀什师范学院学报，2005，（3），26，5.

光电效应范文第5篇

教学时间一课时。

教学目标

1.知识与技能

了解并识别光电效应现象。

能表述光电效应现象的规律。

了解光子的概念，会用光子说解释光电效应现象的规律。

理解光电效应方程。

粗略了解光电效应研究史实。

2.过程与方法

观察赫兹实验中的放电现象，体验发现的过程。

经历“探究光电效应规律”的过程，获得探究活动的体验。

尝试发现波动理论面对光电效应规律遇到的困难。

领略“观察、实验──提出假说──实验验证──新的假说……”的物理学研究方法。

3.情感态度与价值观

体验探究自然规律的艰辛与喜悦。

陶冶崇尚科学、仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫。

学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，培养判断有关信息是否科学的意识。

教学用具

1.实验装置赫兹实验装置;光电效应现象演示装置。

2.多媒体课件;资料文字;赫兹实验装置示意动画;研究光电效应实验示意动画;光电效应的波动说描述与光子说描述动画;密立根证实光电方程实验示意动画;普朗克、爱因斯坦、密立根资料图片动画;

设计理念本课教材蕴含着十分丰富的教学内容：在知识方面，本课作为后牛顿物理两大支柱之一──量子理论的入门，涉及量子物理最基础的内容，同时，还有着厚重的物理学科文化积淀，有物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材。教材在知识陈述上较为浅显直接，而关于这些知识的“背景”，则是相当丰满、承赋人文，为实施“科学的人文教育价值”提供了很大的空间。基于教材特点，本教案设计“以人为本”，突出从赫兹发现光电效应，勒纳德研究光电效应规律，爱因斯坦提出光子说解释光电效应规律，到密立根实验验证光电效应方程，物理学家们上下求索三十年的历程，在让学生学到量子论基础知识与基本技能、发展微观思维方法的同时，获得物理课程文化的浸润与陶冶，体现物理教育在个性品质、好奇求知、质疑创新、科学美及责任心等方面的价值导向。

本课总体设计思想是：课堂教学以光电效应三十年精彩历程为线索，通过充分展示围绕“光电效应”所发生的发现现象、研究规律、提出假说、实验验证这样一个科学发现过程，在科学过程展示中推出学科知识，渗透科学思想方法，借助多媒体课件播放、实验装置重现现象及教师解说，着力于撼动青年学生崇尚科学的情感，弘扬深厚的物理课程文化。

教学过程全课以下列四个标题作引导，按历史的发展顺序展开教学活动。

(动画显示课题后，教师引入主题)

引入本课要学习的光电效应，在量子理论的发展中有着特殊的意义。人类对光的本性的认识，到麦克斯韦提出光是一种电磁波，光的波动说似乎已完美无缺了。然而，就是在证实电磁波存在的过程中，人们发现了光具有粒子性的重大事实，这就是光电效应现象。光电效应及其规律的研究，使人类对物质世界的观念发生了变革：大自然在微观层次上是不连续的，即“量子化”的，而不是牛顿物理假设的在一切层次上都是连续的!光电效应最先由赫兹发现，他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905年诺贝尔物理学奖，爱因斯坦提出光子论从理论上成功解决了光电效应面临的难题并因此获1921年诺贝尔物理学奖，美国物理学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦的理论，并获1923年诺贝尔物理学奖。光电效应的科学之光经众多物理学家前赴后继，三十年努力求索，在物理学史上成为绚丽夺目的篇章。让我们翻开这炫目的一页，沐浴科学的阳光吧!

(屏幕切换显示四个标题)

一、赫兹意外发现光电效应

介绍赫兹实验动画显示赫兹实验示意图如图1所示。1885年，赫兹用如图1所示的装置来证实电磁波的存在：电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球，另一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈连接，构成了LC电路，感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路相距一定距离有电磁波接收器，是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的空隙间观察到电火花。

介绍赫兹的发现并演示利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验，大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时，原来接收间隙的火花变暗(如图3所示)，而用其他任何火花的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电火花，进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子到另一极铜球所形成，赫兹称之为“紫外光对放电现象的效应”，也就是光电效应。

演示光电效应现象动画显示光电效应演示仪原理如图4所示，课堂演示，引导学生观察在紫外线照射下，电流计指示电路中出现了电流。归纳什么是光电效应

(文字显示)

在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。

二、勒纳德研究光电效应现象的规律

引入赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电效应成因与规律，其中德国物理学家、赫兹的助手勒纳德的研究卓有成效。对光电效应的研究方向就是弄清其发生的条件。

介绍勒纳德实验研究原理动画显示勒纳德研究光电效应规律的实验装置如图5所示。当入射光照射到光洁的金属阴极K表面，就有光电子发射出来，若有光电子到达阳极A，电路中就有电流，所以可通过电流计了解用各种光照射阴极K以及对两极加不同电压时的光电流，从中摸索规律。

介绍勒纳德实验研究结果勒纳德通过实验总结出光电效应现象的重要规律：

(文字显示)

1.对各种金属都存在着极限频率和极限波长，低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时间再长都不会发生光电效应。

2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。

3.只要入射光频率高于金属的极限频率，照到金属表面时光电子的发射几乎是瞬时的，不超过10-9s。

4.发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比。

光电效应规律性的演示用如图4所示的光电效应演示仪演示(1)用红光、蓝光照射锌板时，不会产生光电流;(2)用玻璃隔断紫外线时，光电流消失;(3)光电流达到饱和后，改变电压，光电流不变，改变入射光强度，光电流增大。

设问1.用光的电磁波理论如何解释光电效应的发生?

2.波动理论可以解释光电效应发生时的规律吗?

讨论与总结请全班同学议论，由学生尝试定性解释光电效应后，教师概括辅以如图6所示动画显示：光到达金属表面时，连续的电磁波能量分布在其表面，振动的电磁场不断地“摇晃”金属表面的电子，一些结合最松散的电子被摇下来。

由学生提出现有理论与观察事实的矛盾后，教师整理为两大困难，并以文字显示。

矛盾波动理论解释实验事实

之一

之二到达金属表面的光能量连续地分布，对某个电子只能吸收其中很少一部分，应有一段时间积累到足够的能量方能从金属表面挣脱。

光波的振幅表征光能量大小，强光对金属作用足够长时间，有足够能量应该可以使电子从金属表面挣脱。光电效应是否产生存在极限频率(波长)而与光强无关，光电子最大初动能也只与入射光频率成正相关。

若能发生光电效应，即使光很弱，也是瞬间发生的

三、爱因斯坦提出光子论圆满解释

引入观察与理论的互动就是科学，观察是科学进程的开端，观察激发思考导致理论以解释观察结果，而理论又在新的观察中受到检验、引发新的理论，对观察结果进行解释或统一。

原来的电磁波理论与光电效应的实验事实不相符合，促使人们改变认识，构建新的思想框架来解释观察结果。1905年，爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电效应做出了现在为科学界普遍接受的解释。

介绍爱因斯坦光量子假说教师介绍普朗克对电磁波辐射所作的量子化假设：振动物体的能量只能取特定的一组允许值。这种思想在当时并没有引起人们多少注意，但爱因斯坦敏锐地捕捉了这一思想闪光，并彻底贯穿到光的辐射与吸收问题中。

教师介绍光子说，并显示文字内容：

在空间传播的光(的能量)不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，一份光子的能量E=hv。

用光子说对光电效应规律作解释用如图7所示动画辅助描述光子说下的光电效应：光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像机枪子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。

解释极限频率的存在;

解释光电效应的瞬时性;

给出逸出功概念，用光电效应方程

(屏幕展示)解释光电子最大初动能只与入射光频率正相关;

解释光电流的强度与入射光的强度成正比。

小结在爱因斯坦提出光子模型后，用来解释光电效应变得出奇地简单明了，今天，我们中学生运用光电方程计算光电效应已不是什么难题，但在上个世纪初，科学家对量子化的物理却极不适应，爱因斯坦的独创性、物理洞察力和对简洁解释的追求使他在忙碌的1905年发表了相对论，成功解释了光电效应，建树起近代物理学研究的两座丰碑。

四、密立根精确实验证实光电效应方程

引入至此，研究光电效应的科学活动并未完成，爱因斯坦的光子假设与光电方程作为假说──一种有根据的猜测，一种尝试性的未经确认的看法，要上升为理论，要为人们认同──当时对这一假说的怀疑超过了狭义相对论，甚至包括普朗克本人也持反对态度，还必须经受实验的检验。许多物理学家都想方设法用实验测量普朗克恒量h，验证光电效应方程。

简介密立根的工作一直对光子假设持有保留的美国物理学家密立根，设计了高精确度的实验装置如图8所示，经过十年的试验，不断解决一些技术难点，终于验证了光电方程的直线性，并测出普朗克恒量h=6.56×10-34j·s，在事实面前，密立根服从真理，宣布爱因斯坦假说得到证实。科学就是严峻的怀疑态度和对新思想的开放态度的混合，科学常常会发生这种情况：科学家说：“那的确是个好论据，我错了。”然后真的改变想法，扬弃旧观点，科学就是这样进步的。

全课总结本课学习，我们了解了光电效应现象，了解了进行科学活动的方法。光电效应把我们带进了量子化的物理学，光电效应告诉我们理解微观世界要有新的观念，光电效应引领了近代物理学的发展，对哲学、文化和技术的影响深远。让我们怀着对量子理论先驱们的崇敬心情，从科学回到生活。

播放音乐与三位物理学家资料画像，如图9所示。

[课件简介]本课件采用PowerPointXP-F1ashMX制作，充分发挥PowerPoint媒体展示功能与FIashMX的强大的动画功能。其制作过程如下：

一、素材的采集与制作。用超级解霸采集所需的CD音乐;通过网上搜索和扫描仪扫描所需的图片：用F1ashMX制作用波动理论解释光电效应的动画、光子说解释光电效应的动画。

光电效应范文第6篇

【关键词】实验教学 仿真实验 光电效应

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2011）01－0099－02

一、引 言

光电效应是物理学史上一个著名的物理实验，1905年，年仅26岁的爱因斯坦提出光量子假说，发表了在物理学发展史上具有里程碑意义的光电效应理论，10年后物理学家密里根用以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。两位物理大师都因光电效应等方面的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立与发展上、在解释光的波粒二象性等方面都具有划时代的深远意义。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不可缺少的器件，在科学技术中得到广泛的应用，且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。大学物理实验中开设光电效应实验的目的是为了让学生了解光电效应基本规律，并学会用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。利用仿真实验的优势，通过教师的生动讲解，可以拓展学生在新知识方面的视野，拓宽对学生能力的培养的途径，学生在电脑仿真实验平台上完成实验，可以收到先进、快捷、直观、灵活、安全、经济的理想效果。

二、实验原理

当用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性具有极其重要的意义。爱因斯坦利用光子假说做了清晰的说明，并提出了爱因斯坦光电效应方程，即：

hυ＝Ws＋ mv2 （1）

式中，υ为入射光的频率，m为电子的质量，ν为光电子逸出金属表面的初速度，Ws为被光线照射的金属材料的逸出功。光电效应实验原理如图1所示，其中S为真空光电管，K为阴极，A为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G中无电流流过，当一束合适频率的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U变化的伏安特性曲线

如图2所示。由方程（1）可知， mν2为从金属逸出的光电子

的最大初动能，这表明即使光电管的两端不加电压，也会有光电子到达阳极A形成光电流，这从图2中可以明显的看出，随着光电管两端所加上的反电压UAK＜0不断增加，检流计G中测量到的电流值会下降，当电压增加到一定程度，所有的光电子都不能到达阳极，此时光电流为零，那么刚好使光电流为零的反向电压的绝对值就是截止电压，即图2中的U0。

图1 光电效应实验原理图 图2 光电管的伏安特性曲线图

在截止电压下，eUs＝ mν 2代入方程（1），整理后可得：

Us＝k（v－v0） （2）

其中k＝h/e，e为电子电荷，h即普朗克常量。式（2）表明，只要测量出不同入射光频率下的截止电压，如果这些数据点是在同一条直线上，则证明了爱因斯坦光电方程是成立的。如图3所示，对同一光电管v0也是常量，实验中测量不同频率下的截止频率Us，做出Us－v曲线。在（2）式得到满足的条件下，这是一条直线，由斜率k＝

可以求出普朗克常数h。由直线上的截距可以求出溢出功Ws，

由直线在v轴上的截距可以求出截止频率（红限频率）v0。

三、实验内容

光电效应电脑仿真实验包括以下内容：①连接光电管正向、反向电路图，线路连接成功后需要对电路中的检流计调零；②通过调节单色仪，分别选出汞光源的4条谱线进行实验；③采集光电管正向、反向电流、电压数据；④在各频率入射光下的反向伏安特性曲线上读取截止电压值并记录在实验报告上；⑤要求学生通过作图法，计算普朗克常量，光电管阴极材料的红限频率V0及溢出功WS。图4是光电效应电脑仿真实验平台，学生在开始实验前先要通过鼠标点击平台上的光学及电学仪器了解其名称及作用，并将实验中所用到的仪器填写在实验报告上。

在仿真实验过程中学生往往会忽视实验操作的安全性问题，应提醒学生注意。例如：当记录完一组实验数据，电源总开关应该断开。实验中还有很多细节，学生也容易忘记，如：采集光电管正向、反向数据前先要将检流计的量程分别调节到×0.1档和×1，如果检流计的量程在×0.1档时采集光电管反向数据，就无法从光电管反向伏安特性曲线图上读出截止电压，实验需重做。在采集数据时还应注意各数据点分布的均匀性，我们要求学生先粗调滑线变阻器，找到合适的电压范围，再在这个范围对数据点进行合理布局。

四、实验结果

图5是通过仿真实验获得的光电管正向和反向伏安特性曲线，在照射光的强度一定的情况下，光电管中的电流I与光电管两端的电压UAK之间存在着一定的关系。

学生需要从不同入射光波长下的反向伏安特性曲线图中找到截止电压，在这个环节中学生往往找不准截止电压。有的学生会将曲线与电压轴的交点处的电压值当作是截止电压，这说明他们对光电管的特性还没有了解清楚，需要教师作一定的解释，让学生知道我们在伏安特性曲线图中观察到的电流不仅仅是由阴极材料产生的光电流，还包括反向光电流、暗电流和本底电流，因此在找截止电压时应由拐点法求得，即找到电流开始明显变化的地方的电压值；还可以引导学生去考察光电管正向伏安特性曲线上饱和电流与入射光频率之间的关系，入射光强一定这个前提条件不可忽略。正确读出4种不同频率光照射下光电管的截止电压后，学生要通过作图法找到这几个数据点间的线性关系，拟和出直线的斜率，由此计算出普朗克常量、光电管阴极材料的红限频率及溢出功，最后还要分析影响实验结果的因素。

参考文献

1 洪国瑞.仿真实验在光电效应教学中的应用［J］.技术物理教学，2006（2）：30～31

2 王廷志.光电效应实验对原创能力的培养［J］.物理实验，2006（1）：36～39

3 张建华、胡伟琴.光电效应测定普朗克常数中测量方法的讨论［J］.嘉兴学院学报，2006（6）：23～26

光电效应范文第7篇

1．应该掌握的知识方面．

(1)光电效应现象具有哪些规律．

(2)人们研究光电效应现象的目的性．

(3)爱因斯坦的光子说对光电效应现象的解释．

2．培养学生分析实验现象，推理和判断的能力方面．

(1)观察用紫外线灯照射锌板的实验，分析现象产生的原因．

(2)观察光电效应演示仪的实验过程，掌握分析现象所得到的结论．

3．结合物理学发展史使学生了解到科学理论的建立过程，渗透科学研究方法的教育．

二、重点、难点分析

1．光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验是本节课的重点．

2．难点是

(1)对光的强度的理解，

(2)发生光电效应时光电流的强度为什么跟光电子的最大初动能无关，只与入射光的强度成正比．

三、教具

锌板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、玻璃棒、光电效应演示仪．

四、主要教学过程

(一)新课的引入

光的波动理论学说虽然取得了很大的成功，但并未达到十分完美的程度．光的有些现象波动说遇到了很大的困难，请观察光电效应现象．

(二)教学过程的设计

1．演示实验．

将锌板与验电器用导线连接，用细砂纸打磨锌板表面．把丝绸摩擦过的玻璃棒放在锌板附近，用紫外线灯照射锌板．

边演示边提问：紫外线灯打开前后，验电器指针有什么变化？这一现象说明了什么问题？

引导学生分析并得出结论：光线照射金属表面，金属失去了电子导致验电器指针张开一角度．

明确指出光电效应是光照射金属表面，使物体发射电子的现象．照射的光可以是可见光，也可以是不可见光．发射出的电子叫光电子．

说明：这个实验如果按照课本上的装置进行效果很不理想，因为紫外线照射锌板飞出电子时锌板带正电，在锌板附近形成电场又将电子吸附回去．锌板电势升到很小的值就使逸出和返回的电子达到动态平衡，很难使验电器指针明显地张开．

2．进一步研究光电效应．

以上实验改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应．向学生提出问题：光电效应的发生一定是有条件的，存在着一定规律．有什么规律呢？让我们进一步研究．

向学生介绍光电效应演示仪．在黑板上画一示意图，如图所示．S为抽成真空的光电管，C是石英窗口，光线可通过它照射到金属板K上，金属板A和K组成一对电极与外部电路相连接．光源为白炽灯，在光源和石英窗口C之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节．

观察现象一：

在没有光照射K时，电压表有示数，电流表没有示数，说明什么？

明确：AK之间有电场存在，但没有光电子逸出，说明没有发生光电效应．

提出问题：要发生光电效应，是不是用任何频率的光线照射都行？是不是弱光线不行，只要光的强度足够大就行？是不是只要有足够大的电场电压就行？

观察现象二：

保持AK间电压一定，灯泡亮度一定，在窗口C前依次放上红色、橙色、绿色滤光片，观察到红光照射金属板K时没有光电流，橙光和绿光照射时有光电流．用红光照射时改变入射光的亮度和改变电场电压都不发生光电效应．让学生考虑原因．

结论一：入射光线的频率大于等于该金属的极限频率υ0才能产生光电效应．

观察现象三：

逐渐减小KA间的正向电压，直到电压为零时，电流表仍有示数，说明光电流依然存在．如果在KA间加一反向电压，则光电流变小，增大反向电压，使光电流刚好为零．

提出问题：为什么KA间没有电场，仍然有光电流？也就是说仍然有光电子从K极板飞向A极板呢？在KA间加反向电压，光电子在电场中受力方向如何？电场力对光电子做正功还是负功？光电子克服电场力做功和它的动能变化关系如何呢？

根据学生回答的问题引导分析：KA间没有电场仍有光电流说明光线照射金属板逸出的光电子具有一定的动能，一部分光电子可以到达极板A形成光电流．金属中的电子吸收光的能量获得动能，只有达到某一

U就可以求出光电子的最大初动能．

保持反向电压和入射光的频率不变，调亮灯泡，发现光电流仍然为零．此时将入射光的频率增大，发现光电流增大，不再为零．

结论二：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率增大而增大．

提出问题：入射光亮度高不就是能量大吗，金属中的电子获得的能量大，初动能就应该增大，但为什么只与入射光频率有关而与光强无关呢？

解释这一问题：频率一定的光，每个光子的能量为hυ，频率越大的光，光子的能量越大．因此电子吸收了高频率的光子才能获得较大的初动能．只有初动能足够大的光电子才能克服反向电场的阻力到达极板A形成光电流．光的强度大只是光源每秒钟发射出光子的数目多，但如果是频率低的光子，每个光子的能量不大，电子吸收光子获得的能量也就较小．只不过每秒入射的光子数目多，产生光电子的数目多，所以不提高入射光的频率就无法使光电子的最大初动能增大．

观察现象四：给光电管电极KA间加正向电场，以高于极限频率的光入射，保持电压不变，增加入射光的强度，发现光电流的强度增大．

提出问题：入射光的强度大是什么意思？光电流的强度大是什么意思？为什么它们之间有这样的关系？

根据学生的回答归纳：入射光频率不变时光的强度大是指每秒钟入射的光子频率一定，数目较多，因此每秒钟飞向极板A的光电子数多，由于到达的电子电量总和多，所以光电流较大．

结论三：当入射光的频率大于极限频率时，保持频率不变，则光电流的强度与入射光的强度成正比．

指出学生中可能存在的疑问：光电流的强度应该与入射光的频率有关．频率高，光电子的最大初动能大，光电子运动得快，光电流大．

解释这一问题：如果入射光频率较高但强度不大，则说明每秒钟入射的光子数少．尽管每个光电子初动能较大，但每秒钟到达极板A的光电子电量总和不大，因而也就不能形成较强的光电流．

说明：根据前面的实验还可以发现，光线照射金属表面，光电子发射几乎是瞬时的．

3．波动理论解释不了光电效应

(1)波动理论解释不了极限频率，认为光的强度由光波的振幅决定，跟频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应．但事实并非如此．

(2)波动理论解释不了光电子的最大初动能，只与光的频率有关而与光的强度无关．

(3)波动理论还解释不了光电效应发生的时间之短．

4．介绍爱因斯坦的光子说．

本节总结：学习这一节要注意区分一些主要的概念：光的强度、光子的能量、光电子的最大初动能、光电流的强度等．入射光的强度是和光电流的强度联系着的，每秒发射的光子数决定了每秒逸出的光电子数；入射光的频率是和光电子的最大初动能联系着的，每个光子的能量E=

光电效应范文第8篇

关键词：光电效应；两类常见问题；看法

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2012）09-235-02

光电效应规律与光子说是高中物理选修教学中的一个重点内容，是学生体验物质本质发现的曲折历程和不断深化认识光现象的一个上佳素材，也是波粒二象性得以理解的一个基础平台。但限于中学阶段物理知识层次要求和高中学生的理解水准，教材没有详尽阐述其产生机理。这就产生了教学实践中的一些模糊认识，成为诸多师生的一个难点。本文就其中两类有争议的问题谈谈看法，以供参考。

一、关于金属的逸出功

在很多教辅资料和教师的教学范例中经常存在这类命题：

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.……

关于这类选择题的A选项，有部分老师认为命题不科学，原因是题目混淆了逸出功和原子的电离能的关系。他们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[1]，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，虽然两者都需要克服“外力”做功，都可以吸收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没有关系，因而无法回答此类命题。那么，发生光电效应现象的是金属内的自由电子还是束缚电子呢？下面笔者从两个方面来进行论证：

1、假设吸收光子的是处于静止的自由电子，其质量为 ，在吸收光子后运动时质量为 ，速度为 ，根据爱因斯坦的光子说，一个光子的能量 被一个电子完全吸收，此过程要遵循能量守恒定律，即 ·····（1）

而根据狭义相对论，物体以速度 运动时的质量 与静止时质量 之间的关系为

······························（2）

由（1）（2）两式可得

同时，对于这一过程，可以将光子与电子的作用过程当做是碰撞过程，要遵循系统动量守恒定律，即 ······························（3）

由（2）（3）两式可得

根据能量守恒定律和动量守恒定律得出的结果是不一致的，这只能说明这一假设过程是不可能发生的，即处于静止状态的自由电子不能吸收光子。

2、假设吸收光子的是处于运动状态的自由电子，其质量为 ，速度为 ，在吸收光子后质量为 ，速度为 ，为了讨论简单起见，现假定光子与电子发生作用的过程是一维的，且作用前光子与电子动量方向一致。则对该过程应用能量守恒定律有：

······················（4）

且 ···························（5）

由（4）（5）两式可得

对该过程应用动量守恒定律有 ··············（6）

由（5）（6）两式可得

结合能量守恒定律与动量守恒定律分别推导的结果也是不一致的，这也说明了这一假设过程是不可能发生，即处于运动状态的自由电子也不可能吸收光子。

光电效应范文第9篇

首先要明确与光子发生相互作用的电子所处的状态有两种，即自由态和束缚态。

在光电效应中，入射光是可见光和紫外光，这些光子的能量不过是几个电子伏特，这和金属中电子的束缚能量有相同的数量级，不能把金属中的电子看做是自由的。电子可以吸收光子，产生光电效应。考虑光子、电子和原子核三者的能量和动量的变化，遵循非相对论能量守恒定律和动量守恒定律（电子获得速度v不大，满足非相对论条件v

当光子入射到金属表面时，光子的能量全部为金属中的电子吸收，电子把这能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分变成电子离开金属表面后的动能，按能量守恒定律，有

在康普顿散射中，入射光是X光，这些光子的能量为104~105 电子伏特，而原子序数低的原子中，原子核对电子的束缚弱，电离能仅几电子伏特，在X光子与电子作用时，电离能可以略去不计，因此对于所有原子序数低的原子，都可以假定散射过程仅是光子和电子的相互作用，把电子看作自由电子，且在受到光子作用之前是静止的。对于X光子与原子外层电子的相互作用，电子不能吸收光子，只能发生光子与电子碰撞。考虑光子和电子的能量、动量变化，遵循相对论能量和动量守恒定律。

当然，原子中也有被束缚得紧密的电子，特别是重原子中被束缚得紧密的电子更多些，当光子打在这些电子上时，实际上等于和整个原子相碰（把整个原子看作自由粒子），原子的质量比电子的质量大得多（最轻的氢原子的质量比电子的质量约大2000倍），因此，由于碰撞，光子传给原子本身而使其运动的能量很小，亦即Δλ的变化很小，这个变化实际上观察不到。这就是散射光中有波长不变的谱线的原因。

由（5）式可以看出，用可见光入射时，也会产生康普顿效应。一群可见光光子照射到金属表面时，一部分光子被电子吸收，从金属中放射出光电子，产生光电效应。一部分光子与金属中的电子碰撞，光子把一部分能量传给电子，电子仍留在金属内，但电子的能量状态发生改变，光子与电子碰撞后散射，失去一部分能量，波长改变了。但波长的相对改变量太小，不易观察到。虽可以产生康普顿效应，但波长的相对改变量表现不出来，所以光电效应占主导地位。

用X射线入射时，也会产生光电效应，即也存在光子被吸收而放出电子的过程，但这是原子（不是原子的外层电子）吸收光子，从原子里发射出电子。这有两种可能的物理过程，一种是原子吸收光子的能量，从原子某一内壳层射出电子，此时原子呈激发态，伴随发射次级X射线的光子。另一种是原子吸收X光子处于激发态，当原子的激发能传给自己的一个深层电子时，从一个深电子层（一般是K电子层）中放出一个电子，深度较浅的电子壳L、M或N电子层中的一个电子跃入原来电子空出来的位置，此即俄歇效应（在2004年江苏省自主命制的高考试题第10题中有所体现）。但用X射线照射原子序数低的元素物质时，原子吸收光子而产生光电子的概率很小，光电效应不显著，主要表现为康普顿效应。

由以上的讨论可以看出，虽然光电效应和康普顿效应均为电子和光子的相互作用，但彼此还是存在着区别的，当光子的能量与电子的束缚能同数量级时，主要表现为光电效应；当光子能量远大于电子的束缚能量，主要表现为康普顿效应。

光电效应范文第10篇

关键词：光电效应；能量守恒思想；科学素质

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2015）24-0068-04

光电效应的现象和规律、爱因斯坦的光子说和光电效应方程是高中物理教学中的重点。人民教育出版社高中《物理》选修3～5册的第十七章《波粒二象性》中的第2节“光的粒子性”，就是关于这部分的内容。书中介绍的光电效应的概念为：“照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应，这种电子常被称为光电子。”教材中，主要介绍了光照射到金属表面，产生逸出表面的光电子的现象及规律。

爱因斯坦光电效应方程则是针对金属中一个电子吸收一个光子的能量，逸出金属表面形成光电子的能量转化情况，即，其中Ek为光电子的最大初动能，hν为入射光子的能量，W0为被照射金属的逸出功。以上内容是中学物理教师教授和训练的重点。但学生的思维十分开阔、活跃，不会仅限于课本。在教学中，就经常有学生提出这类问题：有没有一个光子打出多个光电子的情况？有没有多个光子打出一个光电子的情况？光照射到非金属表面会不会产生光电效应？有没有电子吸收了光子的能量却不逸出物体表面的情况，如果有，又会发生什么现象呢？等等。

其实，正如学生推想的，光电效应的现象是很丰富的。高中教材中讲述的光电效应现象，只是其中十分典型的一种。而从字面上理解，光电效应是泛指光与物质相互作用时产生的各种电磁现象的总称。其效应可以表现为光电流、光电压、光电导或光电磁效应等很多种情况，应用也十分广泛。现在高中课程强调培养学生独立分析、解决问题的能力，因此，应用现有的物理知识、方法解决教材中没有学过的问题也是现在考试评价体系的一个发展趋势。而光电效应丰富的现象和蕴含的物理规律就提供了一个很好的考核内容。下面分析几个具体例子。

例1：【北京2013年高考理综】20.以往我们认识的光电效应是单光子光电效应。即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度较大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已经被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为v的普通光源照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）

分析：此题研究的多光子光电效应是学生感到陌生的物理情境，因而有些学生感到束手无策。如何应用学过的相关知识解决这个新颖的问题呢？我们研究光电效应方程，发现它表达的是光电效应中能量的转化情况。而按照能量转化的思路分析这道题，就会十分清晰了。与单光子光电效应相同，我们仍以光电子为研究对象，它吸收了多个光子的能量nhν（n为正整数），克服金属逸出功W，剩下的光电子最大初动能为Ek=nhν-W0；此后光电子在反向电压U的作用下减速，光电流恰好减小到零时，最大初动能全部用于克服电场力做功，即Ek=eU，对整个过程则有eU=nhν-W，由于n为正整数，正确选项应为B。

由上例可见，微观粒子相互作用涉及的物理过程是比较复杂的，我们不能按照经典的牛顿力学来分析，但在整个过程中依然遵守能量转化及守恒定律和动量守恒定律。因此，把握住光电效应过程中参与转化的各种能量形式及它们间的转化或转移的路径（关系）是解决这类问题的关键。用这个思路，我们可以再分析另一个光电转化现象――俄歇效应。

俄歇效应是1925年发现、并以法国人Pierre Victor Auger的名字命名的一种光电转化现象。如图：用X光照射物质时，同时有两个光电子从一个原子中发射出来。其中一个与光电效应的光电子没有什么区别，其能量与入射光能量有关；但另一个电子的能量却仅与照射材料有关。这个现象叫俄歇效应。其中那个正常的光电子是X光直接使内壳层（能量较低）电子电离引起的。当这个光电子电离后，便留下一个空位，较高的能级上的电子就会填充到低能级的空位中去，并将释放的能量通过库仑相互作用传递给另一个高能级的电子使之电离。这个电子称为俄歇电子。俄歇效应是一种无辐射的跃迁。

从上面的俄歇电子产生机制可以看出，俄歇电子不是通常意义的光电子，因此它的能量也不能套用光电效应方程来分析。但是，我们只要理清这里的能量转化路径，分析清楚俄歇电子的能量也并不困难。

例2：原子由一个能级跃迁到另一个能量较低的能级时，有可能不发射光子。例如在某种条件下，铬原子n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子，使之脱离原子。这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离原子的电子叫俄歇电子。已知铬原子的能级公式可简化表示为En=，式中n=1、2、3、……，表示不同能级，A是正的已知常数。则上述俄歇电子的动能是（ ）

A.3A/16 B.7A/16 C.11A/16 D.13A/16

分析：如前所述，我们按照能量转移和转化的路径来分析。由题意知：铬原子从n=2能级跃迁到n=1能级时，放出的能量应为这两个能级的能极差：ΔE=E2-E1=-A/4-（-A）=3A/4，此能量传给n=4能级上能量为E4=-A/16的电子， 电子吸收ΔE后的能量变为E=E4+ΔE= -A/16+3A/4=11A/16，这是它的总能量。而它脱离原子核后的电势能为零，因此俄歇电子的动能是Ek=E-Ep=11A/16-0=11A/16。所以选项C正确。也就是俄歇电子的动能等于第一次电子跃迁的能量（3A/4）与俄歇电子的离子能（A/16）之间的能差。通过进一步分析不难发现，俄歇电子的动能是它吸收的能量与电离耗费的能量之差，而这与光电子的初动能等于吸收的光能与消耗的逸出功之差的关系比较可知，从能量转化的实质上二者是相似的。所以，能量转化与守恒是复杂的光电效应现象中共同遵守的本质规律，研究清楚其中能量转化和转移的具体过程就是我们解决这类问题的关键。

太阳能电池是将光能转化成电能的装置，其工作的基本原理，也是一种光电效应――半导体的内光电效应。

例3：硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，下列表述正确的是（ ）

A.逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关

B.硅光电池中吸收了光子能量的电子都逸出

C.硅光电池是把光能转变为电能的一种装置

D.任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应

分析：因为题干里说了硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，所以容易判断出A、B、D是错误的，而C是正确的。但硅光电池的光电效应具体是一种什么样的现象？硅是半导体，它与一般金属的光电效应一样吗？A、B、D选项的具体错因是什么？要把这个问题说清楚，就要了解光电效应的另一种形式――半导体的内光电效应即光伏效应。

光照射到半导体等材料表面，由于材料原子能级结构的特殊性，虽然有时不产生逸出的光电子，但材料内部的电子能量、载流子浓度、分布及内部场的情况却可能随光照发生较大的变化。从而形成各种电磁效应或现象，这些现象一般统称为内光电效应。内光电效应的产生机制简述如下：

按照量子力学理论，由于物质内原子间靠得很近，彼此的能级会互相影响，而使原子能级展宽成一个个能带（如右图）。如果某一能带刚好被电子填满，则称为满带，它与上面的空带就间隔着一个禁带。二者之间的能量差叫带隙间隔（用Eg表示）。此时大于带隙间隔的能量才能把满带电子激发到空带上去。一般带隙较大（Eg>10eV数量级）的物质，被称为绝缘体；而带隙较小（Eg

但当光照射半导体表面时，为价带中电子提供了能量。当入射光子的能量（Eg为带隙间隔）时，价带中的电子就会吸收光子的能量，跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，形成一对可以导电的电子――空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子，但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果的分析知，要使价带中的电子跃迁到导带，也存在一个入射光的极限能量，即，其中是极限频率。入射光的频率大于时，才会发生电子的带间跃迁。

当光照到经半导体掺杂制成的PN结时，若满足入射光频率时，会产生内光电效应而形成光生电动势，从而形成光电池，如右图所示。此时再看刚才所举的关于硅光电池的例题，才能明确选项A、B、D都错在哪里――内光电效应发生也需入射光频率大于一定极限频率，而且电子不逸出物体表面。

上面又介绍了一种光电效应的现象――内光电效应。虽说具体的原理、现象与课上所学的差别较大，但能量转化间的关系，即（下转第77页）（上接第70页）入射光子能量大于带隙间隔时，才会产生内光电效应。这与课上所学入射光子能量大于逸出功时，才会产生内光电效应的能量转化机制是一样的。所以，把握住能量转化与转移的路径，按照能量守恒的思想去分析各种光电效应现象，是引导学生从物理学更基本的观念出发去分析、解决光电效应问题的方法。

在研究微观粒子（包括光子）相互作用时，牛顿定律不再适用，但仍遵循能量和动量的规律。例如另一个证明光有粒子性的实例是康普顿效应，它表明了光子与电子相互作用过程中要遵循能量守恒定律和动量守恒定律。

上述仅以光电效应的几种具体现象为例，表述了以能量转化和转移为线索，应用能量守恒思想分析此类问题的方法。其实，追寻守恒量，是科学家研究自然界繁复现象时的一种观念――探究纷繁复杂表象背后简单统一的规律――的体现。教师在教学中也应注重以守恒的思想分析实际的物理现象和问题。这可以使学生对物理的现象、规律有更本质和深入的认识，提高科学素质，有利于今后的继续学习和研究。

参考文献：

[1] 赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程量子力学[M]北京。高等教育出版社于年出版2001。

[2]沈华，朱文章，半导体光电性质[M]厦门.厦门大学出版社于1995.

[3]沈学础。实验物理学丛书 半导体光电性质[M]北京.科学出版社于1992.

[4]郑厚植在2005世界物理年科普系列报告会上的讲话：从爱因斯坦解释光电效应到单光子应用DD纪念伟大的物理学家爱因斯坦解释光电效应100周年。