摘 要：光电效应的现象是很丰富的，高中教材中讲述的光电效应现象，只是其中十分典型的一种。光电效应丰富的现象和蕴含的物理规律提供了一个良好的培养学生独立分析能力和解决问题能力的考核内容。教师在教学中应注重以守恒的思想分析实际物理现象和问题，这可以使学生对物理现象、规律有更本质和深入的认识，提高其科学素质。
关键词：光电效应；能量守恒思想；科学素质
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2015）24-0068-04
光电效应的现象和规律、爱因斯坦的光子说和光电效应方程是高中物理教学中的重点。人民教育出版社高中《物理》选修3～5册的第十七章《波粒二象性》中的第2节“光的粒子性”，就是关于这部分的内容。书中介绍的光电效应的概念为：“照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应，这种电子常被称为光电子。”教材中，主要介绍了光照射到金属表面，产生逸出表面的光电子的现象及规律。
爱因斯坦光电效应方程则是针对金属中一个电子吸收一个光子的能量，逸出金属表面形成光电子的能量转化情况，即，其中Ek为光电子的最大初动能，hν为入射光子的能量，W0为被照射金属的逸出功。以上内容是中学物理教师教授和训练的重点。但学生的思维十分开阔、活跃，不会仅限于课本。在教学中，就经常有学生提出这类问题：有没有一个光子打出多个光电子的情况？有没有多个光子打出一个光电子的情况？光照射到非金属表面会不会产生光电效应？有没有电子吸收了光子的能量却不逸出物体表面的情况，如果有，又会发生什么现象呢？等等。
其实，正如学生推想的，光电效应的现象是很丰富的。高中教材中讲述的光电效应现象，只是其中十分典型的一种。而从字面上理解，光电效应是泛指光与物质相互作用时产生的各种电磁现象的总称。其效应可以表现为光电流、光电压、光电导或光电磁效应等很多种情况，应用也十分广泛。现在高中课程强调培养学生独立分析、解决问题的能力，因此，应用现有的物理知识、方法解决教材中没有学过的问题也是现在考试评价体系的一个发展趋势。而光电效应丰富的现象和蕴含的物理规律就提供了一个很好的考核内容。下面分析几个具体例子。
例1：【北京2013年高考理综】20.以往我们认识的光电效应是单光子光电效应。即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度较大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已经被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为v的普通光源照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）
分析：此题研究的多光子光电效应是学生感到陌生的物理情境，因而有些学生感到束手无策。如何应用学过的相关知识解决这个新颖的问题呢？我们研究光电效应方程，发现它表达的是光电效应中能量的转化情况。而按照能量转化的思路分析这道题，就会十分清晰了。与单光子光电效应相同，我们仍以光电子为研究对象，它吸收了多个光子的能量nhν（n为正整数），克服金属逸出功W，剩下的光电子最大初动能为Ek=nhν-W0；此后光电子在反向电压U的作用下减速，光电流恰好减小到零时，最大初动能全部用于克服电场力做功，即Ek=eU，对整个过程则有eU=nhν-W，由于n为正整数，正确选项应为B。
由上例可见，微观粒子相互作用涉及的物理过程是比较复杂的，我们不能按照经典的牛顿力学来分析，但在整个过程中依然遵守能量转化及守恒定律和动量守恒定律。因此，把握住光电效应过程中参与转化的各种能量形式及它们间的转化或转移的路径（关系）是解决这类问题的关键。用这个思路，我们可以再分析另一个光电转化现象——俄歇效应。
俄歇效应是1925年发现、并以法国人Pierre Victor Auger的名字命名的一种光电转化现象。如图：用X光照射物质时，同时有两个光电子从一个原子中发射出来。其中一个与光电效应的光电子没有什么区别，其能量与入射光能量有关；但另一个电子的能量却仅与照射材料有关。这个现象叫俄歇效应。其中那个正常的光电子是X光直接使内壳层（能量较低）电子电离引起的。当这个光电子电离后，便留下一个空位，较高的能级上的电子就会填充到低能级的空位中去，并将释放的能量通过库仑相互作用传递给另一个高能级的电子使之电离。这个电子称为俄歇电子。俄歇效应是一种无辐射的跃迁。
从上面的俄歇电子产生机制可以看出，俄歇电子不是通常意义的光电子，因此它的能量也不能套用光电效应方程来分析。但是，我们只要理清这里的能量转化路径，分析清楚俄歇电子的能量也并不困难。
例2：原子由一个能级跃迁到另一个能量较低的能级时，有可能不发射光子。例如在某种条件下，铬原子n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子，使之脱离原子。这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离原子的电子叫俄歇电子。已知铬原子的能级公式可简化表示为En=，式中n=1、2、3、……，表示不同能级，A是正的已知常数。则上述俄歇电子的动能是（ ）
A.3A/16 B.7A/16 C.11A/16 D.13A/16
分析：如前所述，我们按照能量转移和转化的路径来分析。由题意知：铬原子从n=2能级跃迁到n=1能级时，放出的能量应为这两个能级的能极差：ΔE=E2-E1=-A/4-（-A）=3A/4，此能量传给n=4能级上能量为E4=-A/16的电子， 电子吸收ΔE后的能量变为E=E4+ΔE= -A/16+3A/4=11A/16，这是它的总能量。而它脱离原子核后的电势能为零，因此俄歇电子的动能是Ek=E-Ep=11A/16-0=11A/16。所以选项C正确。也就是俄歇电子的动能等于第一次电子跃迁的能量（3A/4）与俄歇电子的离子能（A/16）之间的能差。通过进一步分析不难发现，俄歇电子的动能是它吸收的能量与电离耗费的能量之差，而这与光电子的初动能等于吸收的光能与消耗的逸出功之差的关系比较可知，从能量转化的实质上二者是相似的。所以，能量转化与守恒是复杂的光电效应现象中共同遵守的本质规律，研究清楚其中能量转化和转移的具体过程就是我们解决这类问题的关键。
太阳能电池是将光能转化成电能的装置，其工作的基本原理，也是一种光电效应——半导体的内光电效应。
例3：硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，下列表述正确的是（ ）
A.逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关
B.硅光电池中吸收了光子能量的电子都逸出
C.硅光电池是把光能转变为电能的一种装置
D.任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应
分析：因为题干里说了硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，所以容易判断出A、B、D是错误的，而C是正确的。但硅光电池的光电效应具体是一种什么样的现象？硅是半导体，它与一般金属的光电效应一样吗？A、B、D选项的具体错因是什么？要把这个问题说清楚，就要了解光电效应的另一种形式——半导体的内光电效应即光伏效应。
光照射到半导体等材料表面，由于材料原子能级结构的特殊性，虽然有时不产生逸出的光电子，但材料内部的电子能量、载流子浓度、分布及内部场的情况却可能随光照发生较大的变化。从而形成各种电磁效应或现象，这些现象一般统称为内光电效应。内光电效应的产生机制简述如下：
按照量子力学理论，由于物质内原子间靠得很近，彼此的能级会互相影响，而使原子能级展宽成一个个能带（如右图）。如果某一能带刚好被电子填满，则称为满带，它与上面的空带就间隔着一个禁带。二者之间的能量差叫带隙间隔（用Eg表示）。此时大于带隙间隔的能量才能把满带电子激发到空带上去。一般带隙较大（Eg>10eV数量级）的物质，被称为绝缘体；而带隙较小（Eg<1eV数量级）的物质，被称为半导体。半导体紧邻着禁带的满带称为价带，而上面的空带称为导带。一般情况下，价带中的电子不会自发地跃迁到导带，所以半导体材料的导电性远不如导体。
但当光照射半导体表面时，为价带中电子提供了能量。当入射光子的能量（Eg为带隙间隔）时，价带中的电子就会吸收光子的能量，跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子，但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果的分析知，要使价带中的电子跃迁到导带，也存在一个入射光的极限能量，即，其中是极限频率。入射光的频率大于时，才会发生电子的带间跃迁。
当光照到经半导体掺杂制成的PN结时，若满足入射光频率时，会产生内光电效应而形成光生电动势，从而形成光电池，如右图所示。此时再看刚才所举的关于硅光电池的例题，才能明确选项A、B、D都错在哪里——内光电效应发生也需入射光频率大于一定极限频率，而且电子不逸出物体表面。
上面又介绍了一种光电效应的现象——内光电效应。虽说具体的原理、现象与课上所学的差别较大，但能量转化间的关系，即（下转第77页）（上接第70页）入射光子能量大于带隙间隔时，才会产生内光电效应。这与课上所学入射光子能量大于逸出功时，才会产生内光电效应的能量转化机制是一样的。所以，把握住能量转化与转移的路径，按照能量守恒的思想去分析各种光电效应现象，是引导学生从物理学更基本的观念出发去分析、解决光电效应问题的方法。
在研究微观粒子（包括光子）相互作用时，牛顿定律不再适用，但仍遵循能量和动量的规律。例如另一个证明光有粒子性的实例是康普顿效应，它表明了光子与电子相互作用过程中要遵循能量守恒定律和动量守恒定律。
上述仅以光电效应的几种具体现象为例，表述了以能量转化和转移为线索，应用能量守恒思想分析此类问题的方法。其实，追寻守恒量，是科学家研究自然界繁复现象时的一种观念——探究纷繁复杂表象背后简单统一的规律——的体现。教师在教学中也应注重以守恒的思想分析实际的物理现象和问题。这可以使学生对物理的现象、规律有更本质和深入的认识，提高科学素质，有利于今后的继续学习和研究。
参考文献：
[1] 赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程量子力学[M]北京。高等教育出版社于年出版2001。
[2]沈顗华，朱文章，半导体光电性质[M]厦门.厦门大学出版社于1995.
[3]沈学础。实验物理学丛书 半导体光电性质[M]北京.科学出版社于1992.
[4]郑厚植在2005世界物理年科普系列报告会上的讲话：从爱因斯坦解释光电效应到单光子应用――纪念伟大的物理学家爱因斯坦解释光电效应100周年。
[5]沈学础关于2005世界物理年的科普讲座中的“爱因斯坦对量子论的贡献” 和“走进生活的量子论” 部分。