光电效应
理解光电效应中的逸出功、截止频率、最大初动能与遏止电压。结合图像和例题,区分光强、频率与材料的影响。
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教程正文
光电效应
光照射材料表面时,如果电子吸收的能量足以使其逸出,就会发生光电效应。逸出的电子称为光电子;通过电路收集这些电子,可以测得光电流。

图中的 Cathode 为受光照的阴极,Anode 为收集电子的阳极;电压表测量外加电压,电流表测量光电流。
1. 为什么频率决定能否发生光电效应
仅仅增大光强,并不一定能让电子逸出。在通常讨论的单光子模型中,一个光子向一个电子传递能量 ;这份能量必须足以克服材料的逸出功 。
逸出功是电子从材料表面逸出所需的最小能量,与材料及其表面状态有关。截止频率(也称极限频率)为
频率低于 时,即使增大光强,该模型仍不发生光电子发射;频率等于 时,最大初动能为零;频率高于 时,超过逸出功的能量可以转化为电子的动能。
2. 爱因斯坦光电效应方程
- 为普朗克常量。
- 、 分别为入射光的频率和波长。
- 为光速。
- 为逸出电子的最大初动能,不代表每个光电子都具有这一动能。
在非相对论近似下,。若代入后得到负值,表示在这些条件下不能发生光电子发射,而不是电子真的具有负动能。
3. 两类常见图像
最大初动能与入射光频率

在能量、频率单位匹配时,图线斜率为 ,横截距为截止频率 。将直线向后延长,与纵轴的交点为 。
图中零点以下的虚线只是数学延长线,不代表实际发射了具有负动能的电子。
光电流与外加电压

当收集极的正向电压足够大、几乎所有逸出的电子都能被收集时,电流达到饱和值。
反向电压会阻碍电子运动。将遏止电压的正值大小记为 ,并以 表示元电荷的正值,则
在上图带正负号的电压坐标轴上,横轴截距为 。使用正值大小的公式时,不能把这个负的坐标值直接代入。
对同一金属,在频率固定且高于截止频率时,增大光强意味着单位时间内到达的光子更多,通常会增大饱和电流;但在这一模型下,单个光子的能量、最大初动能和遏止电压不变。改变入射光频率或材料的逸出功,则可能改变遏止电压。
4. 能量单位要统一
常用近似值为
例如,波长为 的光子,能量约为 。求最大初动能时,要先把逸出功换成相同的能量单位,再做减法。常量取值和结果保留位数以题目要求为准。
5. 例题:频率加倍,遏止电压怎样变化
用频率为 的光照射逸出功为 的金属,测得遏止电压的大小为 。保持金属及表面状态不变,将光的频率提高到 。
初始状态满足
频率加倍后,
因此,
由于 ,新的遏止电压大于原来的两倍。原因是频率加倍使光子能量加倍,但每次电子逸出时,仍只扣除一次逸出功。
延伸阅读
内容审校日期:2026 年 9 月 9 日。