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饱和光电流与入射光强度的关系
在入射光的频率大于极限频率的条件下,用不同强度的光照射阴极K时,饱和光电流的值也不同。实验表明光电流的饱和值按正比关系随入射单射光的强度增大而增大。其伏安特性曲线如图2。因此必修本中讲的“光电流强度与入射光的强度成正比”,应理解为入射光的频率一定,只改变入射光的强度时,光电流强度的饱和值与入射光的强度成正比。
光的强度
教 材中没有给出入射光的强度的定义,也没有做出必要的解释,这是很不足的。经典波动理论认为光的强度是由光的振幅决定的,与光的频率无关。但是经典波动理论 不能解释频率低于某一数值的光不论强度如何都不能产生光电效应的实验事实,我们必须从爱因斯坦的光子说的角度理解光的强度。按照光子说的观点,一束光实际 上是一群以光速沿着光的传播方向运动着的光子流,每个光子的能量E=h
υ,光的强度是由单位时间达到金属表面的光子数目决定的。光的频率一定时,入射光的强度越大,单位时间内达到金属表面的光子数就越多,单位时间内从金属表面逸出的光电子数也就越多。由于光电流强度的饱和值Im=ne(式中n为单位时间内从阴极K发射出的光电子数,e为电子电量)与入射光的强度成正比,可见,单位时间内由K极释放出的光电子数与入射光的强度成正比。
事实上,当入射光的频率一定时,直接与入射光的强度成正比的是在单位时间内从K极发射出的光电子数,而不是光电流强度。因此建议教材改写时采用大家惯用的说法,即入射光频率一定时,在单位时间内从K极发射出的光电子数与入射光的强度成正比。
不容回避的问题
学过光子说以后学生常常会问:用强度相同、频率不同的单射光照射K极,单位时间内从K极 发射的光电子数是否相同?有人说相同。理由是书上讲光电流强度与入射光的强度成正比,这就是由于课本叙述不当造成学生误解。也有说不同,理由是按上面讲的 光强度的定义,强度相同、频率不同的光在单位时间内入射到K极上的光子数不同,所以激发出的光电子数也不同。这个问题是不能回避,也是回避不掉的,老师应 该给学生一个答复。
在光电效应实验中,光强度一定,饱和光电流会随着入射光频率的增大而增大。也就是说,不同频率的光子激发光电子的能力是不同的。
引起上述争论的主要原因是学生对光电效应规律没有全面理解,课本上描述的光电效应规律是对一定频率的光而言的。当入射光的强度一定、频率不同时,如果入射 光的频率高,一方面频率高的光子能把金属表面深一些的电子激发出来,频率低的光子则不能。我们把每秒钟发射出的光电子数 Ne与每秒钟到达金属表面的光子数 Np之比叫做量子效率,即
η =
Ne/Np。频率高的光激发光电子时的量子效率高。另一方面,频率高时,每秒钟到达金属表面的光子数 Np将减小。因此,入射光强度一定、频率变化时的情况比较复杂,一般要针对具体情况具体分析解决。这也提醒我们在“光电效应”的教学中,一定要向学生强调:光电效应的规律是对一定频率的光而言的。