對光電效應(yīng)中兩類常見問題的看法

摘要：光電效應(yīng)中的逸出功、光電效應(yīng)方程有關(guān)的問題是高考的熱點(diǎn)，也是很多師生容易產(chǎn)生模糊、錯誤認(rèn)識的難點(diǎn)。文章通過對兩類問題的剖析，運(yùn)用相對論原理、動量守恒定律、玻爾理論、能量最低原理分析了光電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理和規(guī)律，指出了產(chǎn)生錯誤認(rèn)識的根源，為該內(nèi)容的教學(xué)實(shí)踐提供了一些看法。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；兩類常見問題；看法

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）09-235-02

光電效應(yīng)規(guī)律與光子說是高中物理選修教學(xué)中的一個重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生體驗(yàn)物質(zhì)本質(zhì)發(fā)現(xiàn)的曲折歷程和不斷深化認(rèn)識光現(xiàn)象的一個上佳素材，也是波粒二象性得以理解的一個基礎(chǔ)平臺。但限于中學(xué)階段物理知識層次要求和高中學(xué)生的理解水準(zhǔn)，教材沒有詳盡闡述其產(chǎn)生機(jī)理。這就產(chǎn)生了教學(xué)實(shí)踐中的一些模糊認(rèn)識，成為諸多師生的一個難點(diǎn)。本文就其中兩類有爭議的問題談?wù)効捶ǎ怨﹨⒖肌?/p>

一、關(guān)于金屬的逸出功

在很多教輔資料和教師的教學(xué)范例中經(jīng)常存在這類命題：

關(guān)于光電效應(yīng)的說法中，正確的有

A.要使光電效應(yīng)發(fā)生，入射光子的能量必須大于原子的電離能

B.……

C.……

D.……

關(guān)于這類選擇題的A選項(xiàng)，有部分老師認(rèn)為命題不科學(xué)，原因是題目混淆了逸出功和原子的電離能的關(guān)系。他們認(rèn)為光電效應(yīng)是金屬內(nèi)自由電子吸收光子脫離金屬成為光電子[1]，電離是原子中束縛電子獲得能量脫離核束縛成為游離態(tài)電子，雖然兩者都需要克服“外力”做功，都可以吸收光子獲得能量去克服“外力”做功，但兩者本質(zhì)上沒有聯(lián)系，逸出功數(shù)值與電離能多少沒有關(guān)系，因而無法回答此類命題。那么，發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象的是金屬內(nèi)的自由電子還是束縛電子呢？下面筆者從兩個方面來進(jìn)行論證：

1、假設(shè)吸收光子的是處于靜止的自由電子，其質(zhì)量為 ，在吸收光子后運(yùn)動時質(zhì)量為 ，速度為 ，根據(jù)愛因斯坦的光子說，一個光子的能量 被一個電子完全吸收，此過程要遵循能量守恒定律，即 ·····（1）

而根據(jù)狹義相對論，物體以速度 運(yùn)動時的質(zhì)量 與靜止時質(zhì)量 之間的關(guān)系為

······························（2）

由（1）（2）兩式可得

同時，對于這一過程，可以將光子與電子的作用過程當(dāng)做是碰撞過程，要遵循系統(tǒng)動量守恒定律，即 ······························（3）

由（2）（3）兩式可得

根據(jù)能量守恒定律和動量守恒定律得出的結(jié)果是不一致的，這只能說明這一假設(shè)過程是不可能發(fā)生的，即處于靜止?fàn)顟B(tài)的自由電子不能吸收光子。

2、假設(shè)吸收光子的是處于運(yùn)動狀態(tài)的自由電子，其質(zhì)量為 ，速度為 ，在吸收光子后質(zhì)量為 ，速度為 ，為了討論簡單起見，現(xiàn)假定光子與電子發(fā)生作用的過程是一維的，且作用前光子與電子動量方向一致。則對該過程應(yīng)用能量守恒定律有：

······················（4）

且 ···························（5）

由（4）（5）兩式可得

對該過程應(yīng)用動量守恒定律有 ··············（6）

由（5）（6）兩式可得

結(jié)合能量守恒定律與動量守恒定律分別推導(dǎo)的結(jié)果也是不一致的，這也說明了這一假設(shè)過程是不可能發(fā)生，即處于運(yùn)動狀態(tài)的自由電子也不可能吸收光子。

所以，只有處于束縛狀態(tài)的電子才可以吸收光子，產(chǎn)生光電效應(yīng)，此類問題可以解答。