高中物理-光电效应

光电效应

光电效应是高中物理光学部分一个比较抽象的概念，也是物理考卷的命题热点之一。

光电效应是一个很重要而神奇的现象

在光的照射下，某些物质内部的电子，会被光子激发出来，并形成电流。光电效应，即，光进去，电子出来的过程。

从能量转化的角度来看，这是一个光生电，光能转化为电能的过程。

光电效应最早由德国物理学家赫兹于1887年发现，但这一现象在当时很长一段时间内不能被解释清楚。

光电效应正确的解释由爱因斯坦提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。

光电效应的基本性质

（1）每一种金属在产生光电效应时都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。

（2）光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。

（3）光电效应的瞬时性。实验发现，即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。

（4）入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间单位面积内逸出的光电子数目。

在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。

光电效应的逸出功

逸出功指的是，光照射金属时，电子从金属表面逃逸必须要克服束缚而做的功。

常用单位是电子伏特(eV)。金属材料的逸出功不但与材料的性质有关，还与金属表面的状态有关，在金属表面涂覆不同的材料可以改变金属逸出功的大小。

当外界的光能量低于逸出功时，不会发生光电效应。

光电效应的截止电压

如下图所示的电路图，当我们在光电管电路的基础上，加上一个电源与滑动变阻器，便可以制造一个截止电压。

截止电压的概念是这样的：设置上图的滑动变阻器的P的位置，使得电流计G示数为零。

电流为零，这说明电压为零，即外界电源产生的电压与原来光电管产生的电压抵消了。此时，上图中电压表V所测的外在电源的电压，叫做截止电压。

显然，利用所测量的截止电压，并借助上述公式（2）可以反推Ek，再借助上述公式（1）可以求解K金属的逸出功。

光电效应的截止频率

刚好能够让金属发生光电效应的频率（Ek=0），称之为截止频率。

截止频率满足方程：hv0=W

由截止频率的概念可知，低于截止频率的光，无法让金属板发生光电效应。

光电效应与光电管

光电管是基于光电效应的一种光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管工作原理图如上图所示，某种单色光照射金属K，金属K表面的电子俘获能量后可以克服原子核的束缚（逸出功），并有一部分能量富裕，这就是电子的动能。

电子如图所示，从K表面激发出来后，向A极运动。这样，A极有大量的负电荷带负电，而K极失去了电子带正电。

如果将K极与A极连接，串联一个灵敏电流计（图中G表），那么电流计就有示数。这就是光电管原理解释。

光电效应与光电管都不好理解，笔者建议同学们借助物理自诊断专题45的典型题以及配套的视频来深入学习。

理解光电效应需注意的几个地方

（1）体现的是粒子性；

（2）光电效应的发生条件是光子频率必须大于等于截止频率，即光子能量要够大。

对光电效应而言，每一种金属都存在一个截止频率，只有光子频率大于这个频率才可能发生光电效应。

（3）光电效应发生时间极短，没有滞后。

（4）一个光子对应一个电子；激发出来的叫光电子。

（5）光的强度增加，指的是单位时间内的光子个数增加。光强的增加会增加电流的大小，不会增加电子的初动能。

（6）光电效应基本公式是hv=W+Ek；光子能量转化的公式，考题有时候会两种光，两种金属板，同学们需要多次利用光电效应方程进行判别。

（7）光电管的目的是测量光电效应的截止电压，进而结合光子能量求逸出功。