谈谈光电效应实验

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一、光电流概念

光电流是光电子被收集起来形成的电流,光电流等于被收集的电子总电量除以对应的时间。
不加电压时,仍然会有光电子到达阳极,因此电流表也有示数。光照射阴极,阴极逸出电子,阴极失去电子带正电,逸出电子自由飘移,有一些电子可以飘移到阳极,阳极就有了多余电子,多余电子就会通过回路流经电流表回到阴极,这就是不加电压时电流表的示数——光电流。光电流就是飘移到阳极的光电子形成的。

二、正向电压与饱和光电流

当加上正向电压时,那些方向跑偏了的电子也被偏转到阳极,因此,从阴极逸出的电子,有更多的被收集到阳极,从而导致光电流增大,但是,当加正向电压达到某个值后,所有逸出光电子都被收集起来了,光电流就无法再增加。因为单位时间内逸出电子数确定,都被收集起来,单位时间流过电流表的电荷量也就确定,也就是光电流大小确定,再增大电压,也无法改变单位时间到达阳极的光电子数,也就是无法改变单位时间通过电流表的电荷量,所以,电压再增加,光电流保持不变,这就是所谓的饱和光电流。

有人认为,正向电压增大时,光电子被加速得更快,就以为光电流更大,这是不懂光电流大小定义所致,看电流大小,不是看速度,而是看单位时间通过截面的电荷量。既然光强和频率确定,单位时间内逸出的光电子数就确定,光电子被全部收集起来,单位时间通过电流表的电荷量就确定,电压大跑得快,也无法改变这个事实,所以,光电流达到饱和后,增大电压是无法增加的。

我们来看I=nqSv,现在,光电流已经饱和,正向电压增大会引起v增加,可是这也就导致光电管里单位体积内的电子减少,电子在空间分布变稀疏,n减小,v增大,两者乘积却保持不变,所以光电流保持不变。

三、光电效率问题——光强确定,频率变化,光电流如何变?

至于光强确定,频率增加,当然导致单位时间内光子数减少,可是,单位时间内逸出电子数未必减少,因为并非一个光子就必然逸出一个电子,这就是光电效率问题。

其实,100个光子,能打出20个电子,效率就是很高的了。一般老师都讲错了这个问题,以为100个光子就打出100个电子,这是明显缺乏常识的。

想象一下,最大初动能——为什么加最大两个字?实际上,光电子初动能介于零到最大初动能之间,为什么如此?因为电子在金属表面逸出时,需要的能量一般比逸出功大,有些电子得到光子能量后,实际上无法逸出,能量耗散在了金属内,我们讲,光子能量超过逸出功就会发生光电效应,实际上是说,光子数多,总可以把最表面最外层电子(需要的能量最少)打出来一些,很多电子吸收能量后出不来的,但是,光子数多,总是有需要最少能量的出得来,所以,入射光子能量超过逸出功,也就是频率超过截止频率,光子多,总可以打出来一些电子。

四、反向电压、遏止电压

再谈谈反向电压,当加上反向电压后,为什么光电流不立即消失?因为总有一些电子具有足够大的初动能,可以克服电场力的阻碍而到达阳极,从而被收集起来形成光电流。但是,如果所加反向电压增大,将有更多的光电子无法达到阳极,光电流就必然减小。

当反向电压大到一定程度,具有最大初动能且直接指向阳极运动的电子都会无法到达阳极——在到达阳极之前减速为零,这时,阳极就收集不到光电子,当然也就不再有光电流了,也就是没有电荷通过电流表了,电流表也就没有示数了,这个反向电压就是所谓遏止电压。所以,以具有最大初动能的电子为研究对象,可以根据动能定理列出方程,-eUc=0-Ekm。

本文作者:陈恩谱老师

光电效应方程

光的粒子性


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