光电效应中饱和光电流与入射光频率的关系研究.pdf.pdf

第15卷第2期 2002年6月出版大学物理实验 PHYSICAL EXPERIMENT OF CO【工EGE 文章编号:1007—2934(2002】02—0014一04 光电效应中饱和光电流与入射光频率的关系研究李曙光(燕山大学理学院,秦皇岛,066004) 摘要:指出了关于饱和光电流随入射光频率变化的几种不正确的认识,给出了光强一定时饱和光电流随入射光频率变化的正确规律并作了解释。关键词:光电效应;饱和光电流;光频率;光电效率中国分类号:0431 文献标识码:A 关于光电效应有这样一条规律:对于同一种金属材料,如果入射光频率大于红限频率 u。且频率保持不变时,饱和光电流的大小与入射光强度成正比。这一规律反映了光的量子性,每一个光子的能量为^u。。频率一定时,光强与光子数成正比,所以饱和光电流亦与光强度成正比。那么,对于同一种金属材料如果光强度确定时,饱和光电流与入射光的频率关系如何呢?许多文献和教材中存在不同的说法,甚至存在许多谬误。现在分析如下: 1谬误之一:光强不变则饱和光电流大小不变这种谬误是由“饱和光电流的大小与入射光强度成正比”的论述带来的,有人认为,既然饱和光电流与入射光强成正比,那么光强不变时饱和光电流就应保持不变。在许多中学教材甚至大学教材中都没有强调这一表述成立的条件:频率一定。甚至给出如下图示[1]: 2谬误之二:光强一定时饱和光电流随入射光频率的增大而减小[2】这种结论的依据是:在光强相同的条件下,频率较小的入射光,单位时间内入射光子数目较多,能击出的光电子数目就多,形成的饱和光电流强度较大。关于这一结论在甚至在某些教材L3o或文献L41中以****题的形式出现,如: 题例: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2中的实线所示,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。问满足题意的是哪一个? 收稿日期:2002一01—08 —14—万方数据矿,z矿,‘ D 图I饱和光电流与加速电压关系 D (a) D (c) 速电压(b) (d) 田2光电漉阻电压变化的曲线当然,根据上面的推理,认为(d)应当是正确答案。 3谬误之三:光强一定时饱和光电流随入射光频率的增大而增大这种结论的依据是:频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大,所以饱和光电流随入射光频率的增大而增大。而“频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大”是根据光电效应极限频率的存在而作出的一种主观臆断,缺乏实验依据。 4光强一定时饱和光电流随入射光频率变化的正确规律及其解释光电效应中饱和光电流,的大小是由单位时间内能够从光电阴极表面飞出的光电子数n决定的,即: J『=聊(1) 其中,e为单位电荷量。用矽表示单位时间内照射到阴极上的光能量,用P表示光强度,A表示光电阴极的面积,毋表示光入射方向与阴极表面所成的角度,假设照射到面一15一万方数据积A上的光强度是均匀的,则有: 形=溉u 矽=PA·sin口(2) (3) 由(2)和(3)式可得: Ar=P‘4·sin臼/(胁) (4) 光照射到阴极上,并不是每一个光子都能打出一个光电子(即使入射光的频率大于产生光电效应的红限频率),也就是说存在一个光电效率(或光电产额)的问题,所谓光电效率就是指从阴极发射出的光电子数n与入射光子数Ⅳ之比,即: 口=