光電效應過程中光電子運動軌跡的模擬

陳永生,史新偉

(鄭州大學 物理學院材料物理教育部重點實驗室,河南 鄭州 450001)

1905年,愛因斯坦提出“光量子”概念,成功闡釋了光電效應,并推動了量子理論的發展[1]。通過光電效應實驗,可以加深學生對光子模型的理解和對光電效應基本規律的認識,特別是對于金屬逸出功、光電子動能和遏止電壓間的關系認證。然而,目前使用的光電效應實驗裝置在實驗的準確性和可控性方面仍有很大的局限性[2-4]。由于實驗人數多、時間長,造成儀器狀態不穩定,測試數據誤差大、重復性差等問題。并且由于光電效應實驗對實驗技術、實驗裝置要求較高,無法實現學生的自行探索和研究。而模擬仿真實驗可以解決實際實驗教學中的這些問題,完美展現光電效應現象,提高學生對其規律和本質的認知。

1 實驗原理

光電效應實驗原理如圖1所示。

當一束頻率為ν(對應波長為λ)的入射光照射在光電管的陰極金屬K上時,金屬中的電子會逸出金屬,并到達陽極A,形成光電流。根據愛因斯坦光量子理論,光電效應的本質為光子與電子的碰撞-能量作用過程,在碰撞過程中光子把自身的能量傳遞給電子;電子獲得能量后,一部分用于克服金屬的束縛(即金屬的逸出功W),剩余部分則轉變為光電子的動能。整個過程遵循愛因斯坦光電方程:

圖1 光電效應實驗原理圖

(1)

υ0=W/h,

(2)

其中,h為普朗克常數。ν0也稱為截止頻率。可見,不同的金屬因逸出功不同,而具有不同的ν0值。當陰極K和陽極A間加一個正向電壓時,光電子受到靜電吸引作用而加速向陽極靠攏,光電流增大,并隨著電壓的增加而達到飽和。……