陈佳俊 刘露云
(上海师范大学数理学院 上海 200234)
高中物理教学中，光学章节作为比较独立的章节，许多学生对这部分的学习并不像其他章节那么深入，有部分知识存在一知半解的情况.本文就以光电效应为例，着重指出几点高中生常常疑惑或是思考的问题，并提出解答，帮助教师有效解决学生的困惑.
在最新版的沪科版普通高中物理教科书选择性必修第三册(2021)中，光电效应的描述如下：许多实验表明，有些金属(如钾、钠、锌等)即使在太阳光的照射下也会发射出电子.金属在光的照射下发射出电子的现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子叫做光电子[1].
利用如图1所示的装置可以研究光电效应所遵循的规律.电子从金属表面逸出时的动能称为光电子的初动能，电子克服金属对它的束缚所做功的最小值称为逸出功.逸出功是由金属的材料决定的.根据能量守恒定律，光电子的最大初动能Ekm与入射光子的能量hν和逸出功W之间的关系是
图1 光电效应装置图
Ekm=hν-W
(1)
2.1 电子热运动的能量问题
学生通过之前热学部分的学习，已经了解到分子动理论的有关知识，知道了原子、分子会有热运动，因此知道了这些基本粒子拥有分子动能.那么学生就会提出疑问，为什么在光电效应方程中，不考虑电子本身的动能，只考虑光子的能量呢？
实质上，常温情况下电子热运动具有的能量非常小，约为4×10-3eV，远远比光电效应产生的光子能量(约75 eV)小，所以在一般情况下都可以忽略电子本身热运动对光电效应的影响[2].但是，一旦电子被加热到高温，例如1 000 K以上时，电子热运动具有的能量就会大大增加，形成“热电子”.随着温度升高，动能超过逸出功的电子数目急剧增多，大量电子无需光电效应就能直接从金属中逸出，形成“热电子”发射.学生提出这个问题，说明他对知识的迁移能力较强，但是碍于没有数据支撑，学生自己无法推导得出这一结论，教师可以在教学过程中对电子能量的数量级进行强调，并与光子能量的数量级进行比较，帮助学生解决这一困惑.同时，教师可能将“热电子发射”这一概念简单地向学生叙述，让学生对电子能量有一个更深的认识.
2.2 多个光子的能量问题
当光子的能量大于金属的逸出功时，才能够发生光电效应；
一旦光子能量低于金属的逸出功，光电效应就消失了.有部分学生可能会提出问题：如果多个光子同时将能量传递给电子，那么电子的能量就大于金属的逸出功，这样逸出功就与光子频率无关了.
从物理直觉上来说，这些学生提出的方案是可行的，但是很可惜，在普遍情况下，电子只能一个一个地接收光子，同时接收多个光子的可能性非常小.其原因可以有两种解释，第一种是从经典理论得出：根据光子与电子大小的数量级计算可以得出，电子接收到先后两个光子的平均时间数量级为1010s.而实验表明，光电效应发生的时间非常快，不超过10-9s，因此可以基本忽略两个以上光子的吸收；
第二种是从热力学角度得出：当电子吸收光子后,它的能量就会比周围的粒子更高，进而处于非平衡态.在这种情况下，不平衡态会趋向于平衡态发展,于是电子便向周围的粒子传递能量.实际上,这个时间非常短,不超过10-8s.这么短的时间，想要让电子再吸收一个光子的能量，其可能性就变得微乎其微了[3].
教师在讲解完上述知识后，还需要进行补充说明，多光子光电效应在高强度激光情况下还是有可能发生的，只是其可能性依旧不高.就像牛顿第二定律一样，都存在适用条件，只不过通常情况下，实验条件都是处于前面所述的一般情况罢了.因此在高中阶段，教师应不做过多的讨论，防止学生在此问题上纠结，在教学时应将重心放在截止频率上，让学生充分理解光电效应方程的应用条件[4].
2.3 光电效应与康普顿效应的混淆
由于光电效应与康普顿效应的教学时间比较靠近，学生很容易混淆两者的概念.光电效应与康普顿效应都是电子与光子的相互作用，但是它们的本质有着巨大的区别.当光子能量与金属对电子的束缚能处于同一数量级时，金属的逸出功就显得格外重要，此时表现为光电效应；
当光子能量远大于金属对电子的束缚能时，逸出功就可以基本忽略，表现为康普顿效应[5].
从现象来看，光电效应中只有电子会溢出，光子的能量全部传递给电子；
康普顿效应中，电子与光子都会发射出来，并且光子的波长会发生改变.康普顿效应的具体过程比较复杂，在高中阶段也只是对学生进行简单的介绍，因此，可以利用康普顿散射的费恩曼图(图2)来帮助学生强化概念，通过该图来告诉学生康普顿效应的全过程：光子与电子结合后，产生新的光子，而非原先光子的延续.这样能够有效防止学生将光电效应与康普顿效应混淆.
图2 康普顿效应的费恩曼图
2.4 光电效率问题
当入射光的频率超过截止频率后，电子受激发就能从金属中逃逸.但并非一个光子就能激发一个电子，电子接收能量后，不一定就能够从中逃逸，主要原因在于电子是呈轨道能级分布的，低能级的电子位于金属表面，容易激发(这部分知识在化学课程中已有初步的了解)；
而高能级的电子位于金属内部，从中逃逸出需要的能量更大，频率仅仅为截止频率的入射光就无法让金属内部的电子逃逸.光电效应方程中的截止频率，实际上是最外层电子的截止频率，也就是金属所有电子中最低的逸出频率.不过，在实验中，入射光往往有大量的光子，所以只要光子能量大于金属逸出功，电子总还是能逃逸出一部分的.
光电效应作为光学中的一大知识点，教师绝不可以因为高考涉及的少而对此部分缩减课时，仅做初步的介绍.光电效应是提出光子说的重要实验，高中生应该对光电效应中的基本原理进行掌握，并能够对本文提出的几个问题做出辨析，为将来踏入大学，学习普通物理学的光学课程打下基础.
猜你喜欢康普顿数量级光电效应掺杂半导体硅材料电阻率测量的光电效应和热效应中国应急管理科学(2022年1期)2022-04-18基于Geant4模拟的康普顿散射研究四川大学学报（自然科学版）(2020年4期)2020-07-10这是真的吗？新高考·高一数学(2018年2期)2018-11-20论简单估算数量级的数学方法新高考·高一数学(2016年3期)2016-05-19高中物理光电效应复习的重点问题探讨数理化解题研究(2016年34期)2016-04-12西门子PLC编程中关于流量累计结果的限制及改善方法建筑工程技术与设计(2015年22期)2015-10-21史上著名的物理实验——康普顿效应的发现物理之友(2015年9期)2015-02-25数量级的估计在物理学中的应用赤峰学院学报·自然科学版(2015年2期)2015-02-17基于康普顿散射本底扣除的航空γ能谱测量谱线比大气氡校正方法原子能科学技术(2014年1期)2014-02-28康普顿效应中电子-光子碰撞过程的研究物理与工程(2013年3期)2013-03-11