§15-2  光电效应

    一、光电效应的实验规律

    金属中的自由电子在光的照射下,吸取光能而逸出金属表面,这种现象称为光电效应。在光电效应中逸出金属表面的电子称为光电子。光电子在电场的作用下运动所提供的电流,称为光电流。

    为了研究光电效应的规律,可将光电管联接在如图15-4所示的电路中。光电管是一个抽成真空的玻璃泡,内表面的一部分涂有感光金属层作为阴极K,阳极A是由金属丝网做成的。电位器R用来调节加在光电管两端的电势差U的大小。换向开关T用来改变加在光电管两端的电势差的极性:T扳向1为正,T扳向2为负。伏特计V和电流计G分别用来测量加在光电管上的电势差和通过光电管的光电流。实验发现光电效应有如下规律。

图15-4

         1. 光电流的强度

               图15-5

         对于一定强度的单色光,光电流I随加在光电管的电势差U的变化情况,如图15-5中的一条曲线所示。电势差U越大,光电流I也越大,当电势差增大到一定值后,光电流达到饱和值IH,这表明逸出K极金属表面的光电子全部到达A极。如果单位时间内从K极逸出的光电子数为N,电子电量的绝对值为e,那么饱和电流IH 可以表示为

             IH = N e .  

    对于同一单色光,增大入射光的光强,光电流I与电势差U的关系沿另一条曲线变化,这条曲线所对应的饱和电流为 。显然, 可以表示为

            = ¢ e .

    实验发现,IH 之比或者NN ¢ 之比,等于两次入射光强之比。于是大家就得到光电效应的第一条规律:单位时间内逸出金属表面的光电子数,与入射光强成正比。

    2. 光电子的初动能

         由图15-5中的曲线表明,当加在光电管的电势差为零时,光电流一般不等于零,而只有使U =VA-VK 为某负值(即把图15-4中的换向开关T扳向2)时,光电流才等于零。光电流刚刚为零时光电管两端的电势差Ua ,称为遏止电势差。当U为负值时,光电子从K极向A极运动是要克服电场力而作功的。光电子之所以具有作功的能力,显然是由于它逸出K极表面时具有一定的初动能,光电子降低自身的动能而克服电场力作功,并到达A极,提供光电流。当U=Ua 时,光电子付出了全部初动能,刚好到达A极。所以,光电子的初动能的最大值应该等于它克服遏止电场力所作的功,即

                           ,                  (15-12)

这就是说,遏止电势差表征了光电子的最大初动能。

         实验表明,遏止电势差Ua与入射光的频率n之间存在线性关系, 即

                         ,                 (15-13)

式中KV0都是正值,其中K为普适恒量,对于一切金属材料都是相同的,而V0对于不同的金属具有不同的数值,同一种金属为恒量。将式(15-12)代入式(15-13),可得

                        .                 (15-14)

式(15-14)表达了光电效应的第二条规律:光电子的初动能随入射光频率的上升而线性地增大,但与入射光强无关。

         3. 引起光电效应的入射光的频率下限

         光电子初动能的最大值为零时所发生的现象,应是金属内的自由电子从入射光那里获得的能量仅够使电子克服金属表面的逸出电势的束缚而逸出金属表面。根据式(15-14),这时所对应的入射光的频率为

                           ,                    (15-15)

式中n 0就是引起光电效应的入射光频率下限,称为金属的红限。

         由此,大家得到光电效应的第三条规律:如果入射光的频率低于该金属的红限,则无论入射光强多大,都不会使这种金属产生光电效应。

         4. 引起光电效应的时间

         实验表明,只要入射光的频率大于该金属的红限,当光照射到这种金属的表面时,几乎马上产生光电子,而无论光强多大。这是光电效应的第四条规律。经测定,从光照射到电子逸出,时间间隔不超过10-9 s。

         对于上述实验事实,经典物理学理论无法说明。

       
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