小物和小理的物理對(duì)話錄(99)
——單光子光電效應(yīng)與多光子光電效應(yīng)

潘瑩瑩 劉亞英 孟衛(wèi)東(正高級(jí)教師)

(清華大學(xué)附屬中學(xué)永豐學(xué)校)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學(xué)習(xí)高中物理的過程中,小物經(jīng)常向小理提出許多刁鉆而有趣的問題,了解他們的故事也能讓你的物理達(dá)到新的高度.

1 對(duì)話錄

小物:我今天看到一篇文章——《愛因斯坦與普朗克——紀(jì)念光電效應(yīng)獲獎(jiǎng)100周年》,感慨頗深.文中講到的光電效應(yīng)原理、規(guī)律以及發(fā)現(xiàn)過程都展現(xiàn)了豐富的科學(xué)智慧,所蘊(yùn)含的科學(xué)思想、研究方法對(duì)我們理解世界、探索未知規(guī)律有著極其豐富的價(jià)值.

小理:說得非常對(duì),光電效應(yīng)在歷史上第一次證明了光具有粒子性,在物理學(xué)史上有著相當(dāng)高的地位,不過你今天怎么會(huì)有這么一番感慨呢?

小物:哎,說來真是慚愧啊,光電效應(yīng)這么有價(jià)值,我卻還有好多問題不太明白.

小理:說來聽聽,什么問題呢?

小物:比如說一個(gè)電子是只能吸收一個(gè)光子嗎?為什么不能一次吸收多個(gè)光子呢?

小理:嘿,別說,你問的這個(gè)問題特別有代表性,是光電效應(yīng)的疑難問題呢,說明你真正思考了,我今天就給你好好講講光電效應(yīng)這個(gè)問題.

2 小理的介紹

小理:我們先介紹一下什么是光電效應(yīng)吧! 光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象,在光的照射下,金屬內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流,即光可以產(chǎn)生電.在人教版高中選擇性必修3課本中有這樣一張圖片(如圖1),把鋅板和驗(yàn)電器相連,使鋅板帶負(fù)電,則驗(yàn)電器指針張開.用紫外線燈照射鋅板,則看到驗(yàn)電器的指針夾角變小了,這說明鋅板帶的負(fù)電荷減少了.這意味著紫外線讓電子從鋅板的表面逸出了.

圖1

研究發(fā)現(xiàn),任何一種金屬,都有一個(gè)極限頻率,入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象,低于這個(gè)頻率的光不能讓此金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象.

小物:太神奇了! 為什么光照會(huì)讓金屬的內(nèi)部電子逸出呢?

小理:電子要想脫離某種金屬,需要外界對(duì)它做功,這個(gè)功的最小值叫作逸出功(W0).也就是說電子至少要吸收W0的能量才能從金屬中脫離.愛因斯坦認(rèn)為光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的,頻率為ν的光的能量子為hν,這些能量子被稱為光子.當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí),金屬中的電子可以吸收一個(gè)光子的能量,若電子吸收的光子的能量超過逸出功,則電子就能從金屬表面逸出.在這些能量中,一部分大小為W0的能量用來克服逸出功,剩下的能量則是電子逸出后的初動(dòng)能Ek,即hν＝W0＋Ek.這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了光具有粒子性.

小物:哦,理解了! 那為什么一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子呢?

小理:這個(gè)問題問得非常好! 我們?cè)诟咧须A段學(xué)的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng),即電子一次性吸收一個(gè)光子的全部能量,這個(gè)過程非常之快,不需要積累能量的時(shí)間,光電流幾乎是瞬時(shí)產(chǎn)生的,根據(jù)實(shí)驗(yàn)估計(jì)一般不會(huì)超過10－8s,在學(xué)術(shù)界有人通過研究計(jì)算表明,10－8s之內(nèi)一個(gè)光子碰到電子的機(jī)會(huì)為10－18,那么一個(gè)電子同時(shí)吸收兩個(gè)光子的概率為10－36.

小物:這個(gè)概率小到幾乎為零啊.這就是一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的原因了吧?

小理:是的,這就是我們所學(xué)的單光子光電效應(yīng),但其實(shí)從原則上來說,只要入射光足夠強(qiáng),光子密度足夠大,電子是可以再吸收一個(gè)光子的.

小物:哦? 怎么講?

小理:我們剛才所講的是使用普通光源的情況,電子吸收兩個(gè)以上光子能量的概率是非常非常小的,幾乎為零.愛因斯坦對(duì)此問題也有非常形象化的論述:光電效應(yīng)中的一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的概率不會(huì)大于下雨天兩個(gè)雨滴同時(shí)打在一只螞蟻身上的概率.

但實(shí)際上,愛因斯坦在其所寫的光電效應(yīng)論文中就已經(jīng)提出:如果光強(qiáng)超過某一個(gè)數(shù)值,在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中就可以檢測(cè)到一個(gè)電子在同一時(shí)刻吸收兩個(gè)以上(含兩個(gè))光子的現(xiàn)象.

小物:哦,使用普通光源做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),電子吸收兩個(gè)以上光子能量的概率幾乎為零,那后來隨著科技的發(fā)展,社會(huì)的進(jìn)步,肯定出現(xiàn)其他特殊光源了吧?

小理:當(dāng)然,后來發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)激光,隨著強(qiáng)激光的出現(xiàn),人們對(duì)于光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)更加豐富了.強(qiáng)激光,顧名思義就是發(fā)射的激光功率很大,也就是光子密度極大.從理論上講,用強(qiáng)激光照射金屬,一個(gè)電子在一段時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子是可能的,可以形成多光子光電效應(yīng).

小物:哇,厲害厲害,今天我學(xué)到了.

小理:其實(shí)光電效應(yīng)還有很多值得我們?nèi)W(xué)習(xí)和探究的點(diǎn).比如說,對(duì)于多光子光電效應(yīng),愛因斯坦光電效應(yīng)方程可以推廣為

小物:方程都發(fā)生變化了,那相比單光子光電效應(yīng),多光子光電效應(yīng)的規(guī)律就會(huì)發(fā)生變化了吧?

小理:是的,你說的沒錯(cuò),咱們一起來總結(jié)一下!

1)光電子的最大初動(dòng)能隨著光強(qiáng)的增大而呈現(xiàn)臺(tái)階式遞增.

3)多光子光電效應(yīng)中電子對(duì)光子的響應(yīng)與單光子情形差異不大,仍具有瞬時(shí)性.

小物:今天我真的是收獲滿滿啊,對(duì)光電效應(yīng)的了解更上了一個(gè)臺(tái)階.

小理:光電效應(yīng)在物理學(xué)發(fā)展的長(zhǎng)河中,還有更加深遠(yuǎn)的意義,它不但證明了光的粒子性,還為物理學(xué)開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域,為科學(xué)發(fā)展積淀了寶貴的物質(zhì)和精神財(cái)富.

(完)