光電效應實驗中關于入射光和光電流關系的分析

（1.新疆師范大學物理系,烏魯木齊，830054；2.新疆師范大學礦物發光及其微結構重點實驗室,烏魯木齊，830054）

光電效應實驗中關于入射光和光電流關系的分析

王林香1,2

（1.新疆師范大學物理系,烏魯木齊，830054；2.新疆師范大學礦物發光及其微結構重點實驗室,烏魯木齊，830054）

本文從研究光電效應實驗結果出發，提出關于實驗中入射光和光電流關系里的幾個問題，針對該問題進行了討論，并提出了一些建議和意見，這對進一步修正光電效應理論規律和理解應用實驗結果有一定的幫助。

光電效應規律；光電流；實驗誤差分析

0 引言

在赫茲發現光電效應后，許多研究者對光電效應作了深入的研究，總結出光電效應的實驗規律如下:

①入射光頻率ν≥截止頻率ν0時, 且ν一定，產生光電子流大小與入射光的強度成正比，如圖1所示。

圖1 光電子流與入射光強度的關系

圖2 入射光頻率與光電子流的關系

③當ν≤ν0時，無論光強度多大，照射時間多長，都不能使電子逸出。

④從光照開始到電子逸出所需時間稱為光電效應弛豫時間，一般不超過10-9秒。

光子理論成功地解釋了光電效應的實驗規律:

hv＝Em+W0

W0是逸出功，Em是出射電子的動能。

許多研究提出了改進實驗的方法，如改進光電管的構造、陰極材料、制作工藝、單色光的獲取、減小暗電流，本底電流，反向電流影響，遏止電壓的選?。ń稽c法，拐點法）等，以便得到更精確的實驗數據。

目前光電效應中產生電子流大小與入射光強成正比的特性，廣泛應用于自動控制、記錄儀器、光電信號互轉及光通量測量。

對于以上光電效應實驗得到的規律①，即圖1體現了光的量子性。光的頻率不變時，光的強度越大，則相應光子數越多，相應產生的電子流也會加大。下面，我們討論以一種金屬作為陰極，光強不變,生成的電子流與入射光的關系。一些從事物理實驗的研究者提出了不同的觀點。以下我們針對這些不同觀點來進行分析。

1 光電效應實驗中的入射光和光電流關系分析

關于規律②的討論，有研究者認為，既然生成的電子流與入射光強成正比，則光強一定時，單位時間產生的電子數就應不變。需要強調這一表述成立的條件是:頻率一定。所以圖2中入射光頻率與生成的電子流的關系并不正確。

另外一種觀點，如果光強一定時，產生的電子流隨入射光頻率的增大而增大。它的依據是：頻率較大的光子能夠打出電子的可能性較大,所以飽和光電流隨入射光頻率的增大而增大。

按照規律①、②規律，入射光光強一定時，頻率較大的光，對應的光子數目較少，頻率較小的光對應對應光子數目較大。所以當入射光頻率(大于紅限頻率ν0)較小時，光子數較多，相應地激發出電子的絕對數量也會增多,一定程度上會補償頻率低激發出光電子概率低的劣勢；當入射光頻率ν≥截止頻率ν0較大時，入射光光子數目減小，此時激發的光電子數目也相應減小，光電流也相應減小。

所以，對光電效應實驗規律②應該進行修正，即入射光頻率≥截止頻率ν0，在普通光源照射下，入射光光子數目相同情況下，單色光源照射，光電流隨入射光頻率的增大而增大。

以上討論是單光子吸收情況,若考慮到多光子吸收問題會更復雜。同樣,光電效應實驗規律③④是愛因斯坦那個時代(沒有大功率激光器, 激光技術的發展在二十世紀六十年代)總結出來的,它只適合單個光子吸收的事實。

若實驗中有可能存在多光子轉換吸收，那么此時就應該將愛因斯坦光電效應方程進行修正，且滿足截止頻率隨光強增大而增大，保證強光作用的條件。推廣后的規律及方程為：Nhν=Em+W0其中，N表示一個電子吸收的光子數，其他物理量解釋不變。一般情況下，普通光源的多光子吸收幾率幾乎為零,但在激光或者強光條件下，多光子轉換吸收幾率增大，能量吸收增加，導致金屬極限頻率降低，電子有可能逸出，其影響不能被忽略，此時逸出功為W0=Nhν。入射光的性質、金屬材料決定了電子出射的動能，實驗中若存在多光子吸收情況，光電子的最大初動能Em=Nhν-W0也必將增大。

此外，在光電效應中的光子與電子相互作用，有可能發生碰撞散射，光子能量降低，波長變長，光子頻率降低。通常情況下，散射波長改變量 Dl≈10-12m，而可見光l范圍約為380～780nm≈10-7m量級，由于Dl＜＜l，所以可見光中的電子光子散射效應可以忽略。雖然，本實驗的陰極K為銀—氧—鉀(Ag-O-K光譜范圍為340～700nm)，觀察不到康普頓效應，但電子光子散射應如果較強時，被散射的光子就很難再被吸收，電子將可能不能吸收能量而逸出，所以光子電子的散射作用對光電效應結果有一定的影響。

所以，產生電子流的大小，將與多種因素有關，如是否是強光源、入射光頻率、強度，是否發生電子光子散射、是否存在多光子吸收等情況，多種因素導致產生的電子流與入射光強度呈現非線性關系，若考慮這些因素的影響，光電效應的實驗規律:hν＝Em+W0必然進行的修正，建立在實驗基礎上的理論修正規律及公示會更為復雜。

2 結論

光電效應的實驗規律，是在一些理想的條件下成立的，當改變實驗條件，如普通光改強激光，發生多光子吸收、電子光子散射等因素的時候，原來不可能產生光電子流的金屬，此時就可能產生電子流，且光電流大小與入射光強度可能是非線性的復雜關系，多種因素影響，導致光電效應實驗規律會有所偏差，而現有的規律就要根據影響實驗結果的因素進行修正，才符合實際情況。

[1] 姚啟鈞原著.華東師大光學教材編寫組編.光學教程(第四版)[M].高等教育出社,2008年6月.

[2] 徐建強,徐榮歷,等主編. 大學物理實驗(第二版)[M].科學出版社,2015年11月.

[3] 付茂林，彭志華.大學物理(下冊).[M].高等教育出社,2009:177.

[4] 鐘讀敏.大學物理實驗[M].北京,國科學大學出版社，2005.

[5] 王云志,趙敏.光電效應的數據處理及誤差分析[J].大學物理實驗,2011,(02):93-95.

[6] 朱建華.光電效應實驗的改進,原大學教育學院學報，2012,30(1): 82-85.

[7] 李松嶺,明雪.光電效應演示實驗的難點分析與成功改進.物理教師[J].2015, 36(4)：52-54.

[8] 倪建云.淺析光電效應中的小疑惑.物理教師，2010,31(11).

[9] 李志武.光電效應演示實驗幾種方案的比較.物理通報2011年第4期.

Aalysis of the Rlationship of the Incident Light and Photoelectron Flow in the Photoelectric Effect Experiment

Wang Linxiang1,2
（1.Department of Physics,Xinjiang Normal University,Urumqi,830054,China; 2.Key Laboratory of Luminescent Materials and Nanostructures,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China)

In this paper, some problems in the relationship between the incident light and the light current are discussed,and some suggestions are put forward.The results are helpful to the further correction of the theory and application of the experimental results.

Photoelectric effect equation;light current;experimental error analysis

O436.4

A

王林香（1979-），女，副教授，從事光電子學及納米材料的實驗研究.

新疆維吾爾自治區自然科學基金（2012211B16）資助