高中物理光电效应的三个疑点辨析

光电效应的三个疑点辨析

湖北省恩施高中陈恩谱

一、光电效应方程中为什么不考虑电子热运动能量

人教版《物理选修3-5》2010年4月第3版第32页“表 1 几种金属的逸出功和极限频率”下有一段

文字：“若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功，电子就从表面逸出”，但是在第33页介绍的爱因斯坦光电效应方程中，却没有电子热运动能量这一项，而只考虑了电子吸收的光子的能量。课

文前后矛盾吗？或者说电子热运动能量在光电效应中需要考虑吗？

其实，课本第32页右下角有一个旁批：“常温下金属中电子的热运动能量约为4×10-2eV，比产生光电效应的光子能量hv（约75eV）小得多，可以忽略”，已经对上述疑问进行了很好的解释。常温下，金

属中电子热运动的速率的数量级为10-5m/s，很容易计算得知电子热运动动能的数量级为10-2eV，而通常光电效应所需光子最小能量（逸出功）的数量级为100~101eV，远大于电子热运动动能，因此，常温下的确

不需要考虑电子热运动能量。

不过，当金属的温度很高时（通以强电流），比如高达1000摄氏度以上时（钨丝工作温度为2500K），电子热运动的动能就会增大到超过逸出功，从而从金属表面逸出，形成所谓热电子。这就是热电子枪的工

作基础。

二、光电效应与康普顿效应有什么区别

1、电子状态的区别

在光电效应中，电子处于束缚状态，需要考虑金属对电子的束缚作用（逸出功），但是康普顿效应中

明显没有考虑金属对电子的束缚作用，而是把电子当做静止的自由电子。那么，为什么会存在这个区别呢？

其实，光电效应中，光源采用的是普通光源或者紫外光光源，光子能量的数量级在100~101eV内，这和电子逸出金属表面所需要的能量在一个数量级，因此，必须考虑金属对电子的束缚作用。但是，康普顿

效应中，所用光源为X射线源，X射线光子能量达104eV数量级，远大于金属的逸出功和电子热运动能量，

因此完全不必考虑金属对电子的束缚作用和电子的热运动能量，而可以把金属外层电子当做自由电子来处

理。

2、光子能量可以分割吗

人教版《物理选修3-5》2010年4月第3版第32页介绍说，爱因斯坦认为，光子的能量是不可分割

的，因此，当入射光子的能量超过金属逸出功时，光子能量就被电子整个的吸收，电子立即获得足够的能

量，就能立即从金属表面逸出。

但是在康普顿效应中，入射光子与自由电子“碰撞”后，散射出来的光子的波长变长了，乍一看来，

似乎光子的能量、动量在与电子“碰撞”过程中部分的分给了电子，剩余部分自己带走——光子能量是可

以分割的！这与爱因斯坦的观点不是相冲突吗？

其实，课本并没有做出或暗示上述结论，这个疑问的产生，是因为将光子与电子相互作用过程，不恰

当的类比桌球“碰撞”导致的。稍微思考一下就会发现，散射光子与入射光子已经是不同的光子——波长、

频率都发生变化了！实际上，光子与自由电子“碰撞”过程，经历了吸收和发射两个过程——首先是入射

光子被电子吸收，然后被激发的电子再释放出一个新的光子。康普顿效应的全过程可以用费因曼图表示为

如下图所示：

三、光电效应中入射光频率是否必须大于截止频率

课本上叙述的光电效应的实验规律，其实是在普通光源照射下得到的实验规律，这种情况下，光照强度并不大，可以认为在电子尺度来看，光子太过于稀疏，电子同时吸收多个光子的可能性极低，如果电子吸收的光子能量小于逸出功而无法逸出，电子吸收的能量将迅速耗散到整个金属中，转变为热能，因此几乎无法观察到多光子光电效应。因此，普通光源照射金属材料时，必须要求入射光子能量超过金属的逸出功，即入射光频率必须超过金属的截止频率。

但是，若采用强激光照射金属材料，由于光子密度足够大，电子几乎可以同时吸收多个光子，这样，即使入射光的频率低于金属的截止频率，电子吸收的多个光子的总能量也可能超过金属的逸出功，从而发生多光子光电效应。因此，入射光频率超过金属的截止频率，并不是光电效应发生的必要条件。

当然，如果不作特殊说明，高中阶段都默认成是在普通光照条件下做的光电效应实验，因此一般情况下，还是默认为需要入射光频率超过金属的截止频率才能发生光电效应。