神奇的多光子光电效应

神奇的多光子光电效应

——评析2013北京理综第20题

北京市2013年高考理综物理第20题研究的是多光子光电效应的问题，考查了对光电效应微观物理本质的理解，原题如下：

以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。

光电效应实验装置示意如图。用频率为的普通光源照射阴极K，没有发生光

电效应，换用同样频率的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加

上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）（）

A. U=-

B. U=-

C. U=

D. U=-

多光子光电效应，这对高中学生而言是比较陌生和神奇的。在高中甚至大学本科教育阶段，涉及的光电效应一般都是指单光子光电效应，其实验现象是这样

的：（1）存在着饱和电流；（2）存在着遏止电压和截止频率；（3）光电效应具有瞬时性。为了解释这些现象，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：

。其中，为金属中的电子吸收一个光子获得的能量,为金属的截止频率，为金属的逸出功，为电子逸出后的最大初动能，为使光电流减小到0的遏止电压。

为什么一般讨论的光电效应都是指单光子光电效应呢？这是因为，在使用普通光源的情况下，电子吸收两个以上光子能量的概率是非常非常小的，几乎为零。事实上，爱因斯坦本人就考虑过在强光下发生光电效应的可能性问题。对此，他有如下的论述：光电效应中一个电子吸收两个光子的几率不会大于下雨天两个雨滴同时打在一个蚂蚁身上的几率。因此，多光子光电效应在实验上的研究成为可能，是二十世纪六十年代激光乃至强激光出现以后的事情。有了激光，对于双光子光电效应，在实验上和理论上均取得了许多成果。利用超高光强激光，人们不仅观察到双光子和三光子的光电效应，甚至观察到金靶材吸收几十个等效光子的实验现象。

从微观意义上来讲，光电效应是位于金属表面层中的自由电子吸收了光子的能量，这能量足以克服金属表面对它的束缚（即逸出功）而成为光电子。因为吸收光子前金属表面电子的运动状态各异，所以成为光电子后速度方向和初动能也

各不同。也正因为如此，光电子才会存在所谓的最大初动能。

强激光的出现，使得多个光子被同一个电子吸收的概率大大增加，即多光子光电效应。对此，爱因斯坦光电效应方程对应推广为：。

因此遏止电压可表示为：。根据题意，当为2的正整数时的遏止电压都是可能发生的多光子光电效应，因此选B。

本题充分考查了学生对光电效应的物理本质理解以及知识的迁移能力，可以说是既立足于考纲又不局限于考纲，是北京高考命题的一个亮点，也是未来命题的趋势。

相比单光子效应，多光子光电效应的规律不仅限于遏止电压的变化，还应该有如下相应的变化：

（1）仍存在着饱和电流，但光电流的大小和入射光的强度不再限于线性关系，而是与光强的次幂成正比。

（2）入射光的光强对多光子效应能否发生起作用，因此，光强会对光电子的最大初动能有影响。

（3）极限频率和遏止电压失去原有意义。多光子情形下极限频率和遏止电

压分别为和。随着的增加，极限频率呈现台阶式逐渐递减，而

遏止电压呈现台阶式递增。这些变化意味着原本在单光子效应下需要紫外光才能发生的光电效应，现在低频率的红色强激光就可以发生。

（4）多光子光电效应中电子对光子的响应和单光子情形差异不大，仍具有瞬时性。

由此可见，常规中学物理教学中所涉及的光电效应，就是指单光子光电效应，其适用的对象为普通光。但是在光电效应教学的后期拓展阶段，教师可以根据学生对知识的理解程度，引入强激光作用下多光子效应的学习分析和研究。其实，多光子效应并不神奇，它在物理本质上与单光子效应无异，应注重对物理思维和逻辑类比能力的培养。

参考文献：

[1]许国材.多光子光电效应[J].大学物理,1993,12:34-37.

[2]A.T.Georges Theory of the multiphoton photoelectric effect:A stepwise excitation process[J]. Phys.Rev.B 1995,51:13735-13738.