1、關(guān)于高中課本中的光電效應(yīng)現(xiàn)象的討論（集美中學(xué)鄒方云361021）問題的提出光電效應(yīng)最早是赫茲在1886年12月進行電磁波實驗研究中偶然發(fā)現(xiàn)的，隨后的 三十年間有多位物理學(xué)家對其進行了系統(tǒng)研究，愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋而獲得諾貝 爾獎。由于該實驗在物理學(xué)史上有很高的地位，在中學(xué)教學(xué)中也普遍受到物理教師的重 視。但是不管是老師還是學(xué)生，對光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解存在很多問題有很多是錯誤的認 識。隨著物理學(xué)的發(fā)展，今天的光電效應(yīng)與1900年前后的光電效應(yīng)有了很大的不同， 老師們在閱讀一些文獻時，有的老師對一些問題缺少正確的認識，不加分析的照搬。本 文在綜合文獻的基礎(chǔ)上，對光電效應(yīng)現(xiàn)象的四條內(nèi)容的理解及相關(guān)

2、概念理解加以澄清。 其實任何光電效應(yīng)的任何一個方面都值得大做文章，限于篇幅與水平，對這些問題也是 點到為止，與同行與專家們交流，歡迎討論。光電效應(yīng)概念的界定與實驗現(xiàn)象描述1光電效應(yīng)概念的界定所謂光電效應(yīng)是指在光的照射下金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。這里要說明的是， 這一概念對于1900前后來說是正確的，隨著對光電現(xiàn)象研究的深入，該概念的內(nèi)涵已 經(jīng)發(fā)生了很大的變化。后來物理學(xué)家把上世紀初前后研究的光電效應(yīng)（即高中課本上的 這一類光電效應(yīng)）稱為外光電效應(yīng)，與內(nèi)光電效應(yīng)相對應(yīng)。也是說我們中學(xué)研究的實驗 現(xiàn)象是屬于光電效應(yīng)，但光電效應(yīng)不只是我們課本上說的那樣簡單。在這里，我們對概 念的界定是為了幫助我們中學(xué)

3、教師對光電效應(yīng)概念了解更加深入。注意我們在一些文獻 中看到的光電效應(yīng)可能不是高中課本上的概念，也有利于我們把握課本上的光電效應(yīng)的 歷史條件。曾謹言教授對光電效應(yīng)的描述是光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì) 發(fā)生變化，這類光致電變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)，該表述說明了光電效應(yīng)包涵了比中 學(xué)教材更為廣泛的內(nèi)含。2光電效應(yīng)現(xiàn)象的內(nèi)容物理教材中對光電效應(yīng)的現(xiàn)象描述不是僅由一個科學(xué)家觀察到的，而是綜合了 1900年前后多位科學(xué)家的實驗觀察結(jié)果。萊比錫大學(xué)的講師哈爾瓦克斯，俄國的斯托 列托夫?qū)怆娦?yīng)都進行了系統(tǒng)研究，并取得了重要成果。但該實驗最主要貢獻者是赫 茲的助手，德國科學(xué)家勒納德（P. Lenard，

4、1862-1947），他的實驗觀察結(jié)果與中學(xué)教 材中的說法基本一致。其內(nèi)容主要有四個方面：1.對各種金屬都存在著極限頻率和極 限波長，低于極限頻率的任何入射光強度再大、照射時間再長都不會發(fā)生光電效應(yīng);2.光 電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大；3.只要入射 光頻率高于金屬的極限頻率，照到金屬表面時光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，不超過 W-9S； 4.發(fā)生光電效應(yīng)時，光電流的強度與入射光的強度成正比。這是光電效應(yīng)現(xiàn) 象常見的描述。對四條內(nèi)容的理解對光電效應(yīng)實驗現(xiàn)象內(nèi)容的理解是仁者見仁，智者見智，顯得很混亂。有的老師對 內(nèi)容妄加推測并任意發(fā)揮，出現(xiàn)了一些不該有的錯誤。很多中

5、學(xué)老師由于缺乏資料，對 光電效應(yīng)現(xiàn)象的認識也是停留在課本的水平上，不理解也是情有可原的，下面是筆者在 查閱文獻的基礎(chǔ)上，對該問題提出一些看法，供大家參考。1對極限頻率的理解對于該問題，需要理解的是為什么有極限頻率。對于中學(xué)生的要求是讓學(xué)生了解 有這一現(xiàn)象即可，同時也了解這一現(xiàn)象給波動理論的解釋帶來了困難，即按波動理論只 要給以足夠長的時間照射，都能發(fā)生光電效應(yīng)相矛盾。但是在教學(xué)實踐中，學(xué)生對電子 怎么吸收光子的，為什么不能吸收多個光子有疑問且感興趣。一般情況下我們的老師是 直接告訴學(xué)生電子不吸收多個光子，無論是相繼和同時。學(xué)生再問為什么呢？很多老師 也不知道了。其實20世紀初的科學(xué)家和現(xiàn)在的中

6、學(xué)老師們一樣不知道電子怎樣吸收光子和不 能同時吸收多個光子，也只知道與波動論相沖突。其中一個重要的原因是當時的實驗條 件是十分有限的，也談不上精確，另外一個原因是物理學(xué)面對新的實驗現(xiàn)象，理論還沒 有建立起來，科學(xué)家也是根據(jù)自己的理解來解釋原因，都難以服眾。即使后來密立根實 驗很精確了，但理論還是還沒有建立起相關(guān)理論。目前有關(guān)文獻對電子吸收光子的問題做出了一些分析，認為主要原因是同時吸收 兩個光子的概率太低，當時無法觀察到。普通光源光強較弱，從發(fā)光機制來講自發(fā)輻射 占主導(dǎo)地位。在光電效應(yīng)過程中，有人實驗發(fā)現(xiàn)，當入射光的頻率大于金屬材料的截止 頻率時，入射10八4數(shù)量級的光子才能射出一個電子。對于

7、該問題，關(guān)于光電效應(yīng)中 電子不可能吸收兩個光子的可能性的分析一文中對此作了較為詳細的計算，計算的結(jié) 果是普通光源的產(chǎn)生光子的概率也是10八4數(shù)量級。而一個電子相繼和同時吸收兩個光 子的概率，是10八8數(shù)量級的光子中才出現(xiàn)一次。即在普通光源（即弱光）條件下，電 子也有可能吸收兩個光子，只是這種概率極小，相應(yīng)的光電流遠遠小于測量儀器的靈敏 度而不能夠通過儀器測量出來。在中學(xué)甚至大學(xué)物理中所敘述的光電效應(yīng)規(guī)律都是物理 學(xué)史實上的內(nèi)容，是針對普通光源來講的，這也與歷史上發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)時沒有更強的光 源，特別是激光源有很大的關(guān)系。激光的問世，相關(guān)實驗還可觀測到雙光子、甚至四光子吸收現(xiàn)象，也會破壞極限 頻率

8、的概念，這時候光電效應(yīng)中的內(nèi)容發(fā)生了很大的變化，所以我們要強調(diào)普通光源是 當時觀察光電效應(yīng)的實驗條件。2對最大初動能的理解有不少人認為，所有的光電子都具有最大初動能，有不少參考資料不明確說明是 最大初動能，而是以動能來代替，這是歷史的產(chǎn)物，是不準確的描述。在教學(xué)中要明確 說明，以免學(xué)生理解錯誤。有不少文章研究表明，能吸收光子的電子是不自由的，至少在與光子作用的過程 中，否則不遵守動量守恒定律與能量守恒定律。一般認為，金屬中電子吸收光子時，運 動方向朝外，只克服原子實庫侖力的光電子具有最大初動能。其它光電子的動能在零與 最大值之間。克服原子實做功較多的光電子的動能較少。光電子的初動能還受金屬表面

9、 的清潔程度和表面吸附氣體等因素的影響，光電子從金屬表面逸出時需要消耗的能量也 不同。同第一問題一樣，激光光源照射下，由于吸收多個光子，這一結(jié)論也不成立。所 以本結(jié)論也是在普通光源下。3. 3對瞬時性的理解大家對瞬時性的理解沒有問題，學(xué)生知道瞬時性用波動論理無法解釋該現(xiàn)象即 可。為了解釋光電效應(yīng)的瞬時性問題，勒納德在1902年還提出了觸發(fā)假設(shè)。筆者自己提出一個問題，供大家討論。勒納德1902年關(guān)于瞬時性的實驗現(xiàn)象的 內(nèi)容是：當入射光頻率大于截止頻率v時，光一照射便立即有電了從金屬表面逸出，而 低于截止頻率的入射光不管多強都不可能產(chǎn)生光電效應(yīng)。文中并沒有提出反應(yīng)時間短到 109S，學(xué)生對109S

10、，沒有概念，只知道時間很短即可。是誰最早測量出的這一時 間？筆者表示疑問，多方查閱材料，也沒有結(jié)果。在時間的測量史上，能測量W-7S 的時間，也是上世紀六七十年代的事情。所以，我有理由懷疑該敘事的合理性。3. 4對光電電流的理解關(guān)于這一點的認識存在兩個問題：第一個問題是課本為了減少概念的引入，沒有 說明光電電流是飽和電流，導(dǎo)致了很多學(xué)生無法正確理解這一點；第二個問題是本結(jié)論 的前提是在大于極限頻率的同一種照射結(jié)果，離開此條件無法討論。在中學(xué)生的教輔練習(xí)中有不少出現(xiàn)了類似情況，光電效應(yīng)實驗中，將一種光換成 另外一種光，說光強度相同，比較它們飽和電流的大小。其實完全沒有必要，不同光的 頻率不同，電

11、流與頻率的關(guān)系也較為復(fù)雜，不是中學(xué)生研究的問題。如果頻率變大了， 會使更加深層的電子變?yōu)楣怆娮?，但同時單位時間的光子數(shù)目少了，哪一個起更大的作 用？恐怕連老師也不清楚。當然，作為老師，如果對這一問題進行了解也是可以的。下面是筆者查閱文獻的 結(jié)果，總體情況是很復(fù)雜，沒有定論。以下是其中兩種情況：美國物理學(xué)家席夫在假設(shè)入射光為單色線偏振光射到原子的K層電子上，得出電 子數(shù)與入射光頻率的定量關(guān)系式，其結(jié)論是：1）在光強P 一定時，光電子數(shù)N正比于v-9/2,可見隨著頻率的增加光電子 數(shù)迅速減少；2）在光強P和頻率v 一定時，光電子數(shù)N正比于金屬靶的原子序數(shù)Z的 五次方，即光電子數(shù)隨金屬靶的原子序數(shù)的增大而迅速增加；3）在金屬和頻率一定時， 光電子數(shù)N正比于入射光光強P。另一種情況是，不同頻率的光子激發(fā)出光電子的本領(lǐng)是不同的。有些材料特別是 堿金