一、光電流概念
光電流是光電子被收集起來形成的電流,光電流等于被收集的電子總電量除以對應的時間。
不加電壓時,仍然會有光電子到達陽極,因此電流表也有示數。光照射陰極,陰極逸出電子,陰極失去電子帶正電,逸出電子自由飄移,有一些電子可以飄移到陽極,陽極就有了多余電子,多余電子就會通過回路流經電流表回到陰極,這就是不加電壓時電流表的示數——光電流。光電流就是飄移到陽極的光電子形成的。
二、正向電壓與飽和光電流
當加上正向電壓時,那些方向跑偏了的電子也被偏轉到陽極,因此,從陰極逸出的電子,有更多的被收集到陽極,從而導致光電流增大,但是,當加正向電壓達到某個值后,所有逸出光電子都被收集起來了,光電流就無法再增加。因為單位時間內逸出電子數確定,都被收集起來,單位時間流過電流表的電荷量也就確定,也就是光電流大小確定,再增大電壓,也無法改變單位時間到達陽極的光電子數,也就是無法改變單位時間通過電流表的電荷量,所以,電壓再增加,光電流保持不變,這就是所謂的飽和光電流。
有人認為,正向電壓增大時,光電子被加速得更快,就以為光電流更大,這是不懂光電流大小定義所致,看電流大小,不是看速度,而是看單位時間通過截面的電荷量。既然光強和頻率確定,單位時間內逸出的光電子數就確定,光電子被全部收集起來,單位時間通過電流表的電荷量就確定,電壓大跑得快,也無法改變這個事實,所以,光電流達到飽和后,增大電壓是無法增加的。
我們來看I=nqSv,現在,光電流已經飽和,正向電壓增大會引起v增加,可是這也就導致光電管里單位體積內的電子減少,電子在空間分布變稀疏,n減小,v增大,兩者乘積卻保持不變,所以光電流保持不變。
三、光電效率問題——光強確定,頻率變化,光電流如何變?
至于光強確定,頻率增加,當然導致單位時間內光子數減少,可是,單位時間內逸出電子數未必減少,因為并非一個光子就必然逸出一個電子,這就是光電效率問題。
其實,100個光子,能打出20個電子,效率就是很高的了。一般老師都講錯了這個問題,以為100個光子就打出100個電子,這是明顯缺乏常識的。
想象一下,最大初動能——為什么加最大兩個字?實際上,光電子初動能介于零到最大初動能之間,為什么如此?因為電子在金屬表面逸出時,需要的能量一般比逸出功大,有些電子得到光子能量后,實際上無法逸出,能量耗散在了金屬內,我們講,光子能量超過逸出功就會發生光電效應,實際上是說,光子數多,總可以把最表面最外層電子(需要的能量最少)打出來一些,很多電子吸收能量后出不來的,但是,光子數多,總是有需要最少能量的出得來,所以,入射光子能量超過逸出功,也就是頻率超過截止頻率,光子多,總可以打出來一些電子。
四、反向電壓、遏止電壓
再談談反向電壓,當加上反向電壓后,為什么光電流不立即消失?因為總有一些電子具有足夠大的初動能,可以克服電場力的阻礙而到達陽極,從而被收集起來形成光電流。但是,如果所加反向電壓增大,將有更多的光電子無法達到陽極,光電流就必然減小。
當反向電壓大到一定程度,具有最大初動能且直接指向陽極運動的電子都會無法到達陽極——在到達陽極之前減速為零,這時,陽極就收集不到光電子,當然也就不再有光電流了,也就是沒有電荷通過電流表了,電流表也就沒有示數了,這個反向電壓就是所謂遏止電壓。所以,以具有最大初動能的電子為研究對象,可以根據動能定理列出方程,-eUc=0-Ekm。
本文作者:陳恩譜老師
光電效應方程
光的粒子性