最后更新: 2024-01-09 08:40 查看: 229 次反馈刷题

光电效应

把一块锌板连接在验电器上，并使锌 板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯 照射锌板，观察验电器指针的变化。 这个现象说明了什么问题？
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实验发现, 若使锌板带负电, 用紫外线灯照射后, 验电器张开的指针夹角会变小, 说明锌板带的负电荷变少了。这意味着, 紫外线会让电子从锌板表面逸出。

照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应 (photoelectric effect), 这种电子常称为光电子。
光电效应的实验规律
1887 年, 赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现, 接收电路的间隙如果受到光照, 就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应, 也是赫兹细致观察的意外收获。

后来这一现象引起许多物理学家的关注。德国物理学家勒纳德、英国物理学家 J. J. 汤姆孙等相继进行了实验研究, 证实了这个现象。

下面我们用图 4.2-1 所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色 (频率) 等物理量之间的关系。
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如图 4.2-1, 阴极 $\mathrm{K}$ 和阳极 $\mathrm{A}$ 是密封在真空玻璃管中的两个电极, 阴极 $\mathrm{K}$ 在受到光照时能够发射光电子。阴极 $\mathrm{K}$与阳极 $\mathrm{A}$ 之间电压 $U$ 的大小可以调整, 电源的正负极也可以对调。电源按图示极性连接时, 闭合开关后, 阳极 $\mathrm{A}$ 吸收阴极 $\mathrm{K}$ 发出的光电子, 在电路中形成光电流。这导致电压 $U$ 为 0 时电流 $I$ 并不为 0 。
科学家通过实验发现了以下规律。
存在截止频率 当人射光的频率减小到某一数值 $v_{\mathrm{c}}$ 时,光电流消失, 这表明已经没有光电子了。 $v_{\mathrm{c}}$ 称为截止频率 (cutoff frequency) 或极限频率。这就是说, 当人射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。

实验表明, 不同金属的截止频率不同。换句话说, 截止频率与金属自身的性质有关。

存在饱和电流 在光照条件不变的情况下, 随着所加电压的增大, 光电流趋于一个饱和值。也就是说, 在电流较小时电流随着电压的增大而增大; 但当电流增大到一定值之后, 即使电压再增大, 电流也不会再进一步增大了 (图 4.2-2)。

这说明, 在一定的光照条件下, 单位时间内阴极 $\mathrm{K}$ 发射的光电子的数目是一定的, 电压增加到一定值时, 所有光电子都被阳极 $\mathrm{A}$ 吸收, 这时即使再增大电压, 电流也不会增大。

实验表明, 在光的频率不变的情况下, 人射光越强,饱和电流越大。这说明, 对于一定频率 (颜色) 的光, 人射光越强, 单位时间内发射的光电子数越多。

存在截止电压如果施加反向电压, 也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极, 在光电管两极间形成使电子减速的电场, 电流有可能为 0 。使光电流减小到 0 的反向电压 $U_{\mathrm{c}}$ 称为截止电压。

截止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度, 初速度的上限 $v_{\mathrm{c}}$ 应该满足以下关系
$$
\frac{1}{2} m_{\mathrm{e}} v_{\mathrm{c}}{ }^2=e U_{\mathrm{c}}

$$
进一步的实验表明, 同一种金属对于一定频率的光,无论光的强弱如何, 截止电压都是一样的。光的频率 $v$ 改变时, 截止电压 $U_{\mathrm{c}}$ 也会改变 (图4.2-2)。这意味着, 对于同一种金属, 光电子的能量只与人射光的频率有关, 而与人射光的强弱无关。

光电效应具有瞬时性 当频率超过截止频率 $v_{\mathrm{c}}$ 时, 无论人射光怎样微弱, 照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快, 即光电效应几乎是瞬时发生的。
$$

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