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1、第22卷第8期大学物理Vol.22No.82003年8月COLLEGEPHYSICSAug.2003光强一定时饱和光电流随入射光频率的变化关系辨析李曙光(燕山大学理学院,河北秦皇岛066004)摘要:对光电效应实验中饱和光电流随入射光频率变化关系的几种谬误进行了辨析,给出了光强一定时饱和光电流随入射光频率变化的正确规律并作了解释.关键词:光强度;饱和光电流;光频率;光电效率中图分类号:O431;O462.3文献标识码:A文章编号:1000-0712(2003)08-0031-02关于光电效应有这样一条规
2、律:对于同一种金属2谬误之二:光强一定时饱和光电流随入射光频率的材料,如果入射光频率大于红限频率0且频率保持不增大而减小变时,饱和光电流的大小与入射光强度成正比.这一规[2]这种结论的依据是:在光强相同的条件下,频率律反映了光的量子性,每一个光子的能量为h.频率一较小的入射光,单位时间内入射光子数目较多,能击出定时,光强与光子数成正比,所以饱和光电流亦与光强的光电子数目就多,形成的饱和光电流强度较大.关于度成正比.那么,对于同一种金属材料如果光强度确定这一结论甚至在某些教材[3]或文献[4]中以习题的形式时,饱和光电流与入射光
3、的频率关系如何呢?许多文出现,如:献和教材中存在不同的说法,甚至存在许多谬误.现在题例:以一定频率的单色光照射在某种金属上,测分析如下.出其光电流的曲线如图2中的实线所示,然后在光强1谬误之一:光强不变则饱和光电流大小不变不变的条件下增大照射光的频率,测出其光电流的曲线如图中虚线所示.问满足题意的是哪一个?这种谬误是由饱和光电流的大小与入射光强度成正比的论述带来的,人们认为,既然饱和光电流与入射光强成正比,那么光强不变时饱和光电流就应保持不变.在许多中学教材甚至大学教材中都没有强调这一表[1]述成立的条件:频率一定.甚至给出如下图
4、示(图1):图1图2光电流随电压变化的曲线收稿日期:2002-01-09作者简介:李曙光(1968),男,山西五寨人,燕山大学理学院讲师,硕士,研究方向为非均匀介质中的电磁波理论和光子局域化.32大学物理第22卷当然,根据上面推理,认为图2(d)应当是正确答案.3谬误之三:光强一定时饱和光电流随入射光频率的增大而增大这种结论的依据是:频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大,所以饱和光电流随入射光频率的增大而增大.而频率较大的光子能够打出光电子的可能性较大是根据光电效应极限频率
5、的存在而作出的一种主观臆断,缺乏实验依据.4光强一定时饱和光电流随入射光频率变化的正确图33种不同材料的光电效率(或光电规律及其解释产额)随波长变化的关系光电效应中饱和光电流I的大小是由单位时间内入射光的频率成反比,由图3可知每一种材料的光能够从光电阴极表面飞出的光电子数n决定的,即电效率又随入射光的频率(或波长)作非线性变化.所I=ne(1)以,在光强一定的条件下,饱和光电流随入射光频率的其中,e为单位电荷量.用N表示单位时间内的入射光变化是几个因素共同作用的结果,不能简单地得出它子数,表示单位时间内照射到阴极上的光能量,
6、即光是随入射光频率的增大而增大、减小或不变的结论.之通量.P表示光强度,A表示光电阴极的面积,表示光所以会出现以上三种谬误,是由于没有注意到物理规入射方向与阴极表面法线方向所成的角度,假设照射律成立的条件或者只强调引起饱和光电流变化的其中到面积A上的光强度是均匀的,则有:一个因素,而忽略了多种因素的共同作用.=Nh(2)那么,关于光强度一定时饱和光电流随入射光频=PAcos(3)率变化的关系能否利用实验检验呢?图4给出两种不由式(2)和(3)可得同材料的光电阴极的光谱特性[6],(a)和(b)分别为锑N=PAcos/(h
7、)(4)铯(Sb-Cs)阴极和银氧铯(Ag-O-Cs)阴极的光谱特性.这光照射到阴极上,并不是每一个光子都能打出一里光谱特性就是指不同材料对不同波长的光具有不同个光电子(即使入射光的频率大于产生光电效应的红的灵敏度,所谓灵敏度就是指对于某种光电阴极材料限频率),也就是说存在一个光电效率(或光电产额)的饱和光电流I与入射光通量的比值,即I/,这里灵问题,所谓光电效率就是指单位时间内从阴极发射[7]敏度的概念与光电子学领域中光电器件的灵敏度是出的光电子数n与入射光子数N之比,即一致的.图4所表示的是相对灵敏度,即把入射光频率=n/
8、N(5)(或波长)变化时某种阴极材料所对应的最大灵敏度确实验表明,光电效率与所用的阴极材料性质和入定为100%,其他值与之相比较而得到相对灵敏度.在射光的频率(或波长)有关,图3给出了3种市售光敏入射光通量
