探讨光电效应中的光子吸收问题，本文主要内容关键词为：光电效应论文,光子论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在“光电效应”一节的教学中，学生对“光电效应中电子如何吸收光子的问题”讨论得很热烈。有学生说：“一个光子的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，但一个电子最多只能吸收一个光子的能量，不可能同时吸收两个光子的能量，因此照射光存在一个极限频率。”但有人提出反对意见：“为什么电子就不可能同时吸收两个光子的能量？”还有人提出：“有没有这种可能，就是电子先吸收一个光子，然后再吸收下一个光子，直到有足够的能量而发生光电效应？”后两种情况如果确实存在的话，从理论上看，就不存在极限频率了。那么，究竟有没有这种可能呢？
设某种金属受到高于它的极限频率的光照射，某一时刻金属表面附近的一个电子吸收了一个光子。从经典物理学的观点看，这个电子此时的能量明显高于临近的其他粒子，处于一种非热平衡的状态，按照热力学原理，不平衡的系统将通过各种方式趋于平衡，电子会在
时间内将它获得的能量传递给周围其他的粒子。从量子的观点看，电子吸收一个光子后，将从低能级跃迁到高能级，但电子在高能级的平均寿命的数量级是，因此电子会自发地从高能级跃迁到低能级（不一定返回原来的能级），同时把多余的能量以辐射的形式放出。除此之外，电子还可能与其他原子发生碰撞损失能量而跃迁到低能级。
在1960年以前，物理学家研究光电效应采用的都是普通光源，从发光机制上看主要是自发辐射，光强较弱，某一时刻投射到金属表面上的光子数远远低于金属表面附近的总电子数。实验发现，用高于极限频率的普通光源发出的光照射某种纯净的金属，原子中的电子吸收一个光子的概率（称单光子吸收概率）约为
，即要投射
个光子才能从金属表面发射出一个电子。而对于一个电子同时吸收两个光子的概率，或者电子先吸收一个光子，然后在内再吸收下一个光子的概率，又要比单光子吸收概率远远低得多，以至于实验中观察不到双光子吸收现象。下面通过例题来进一步说明。
例1 用频率约为
的绿色光照射某种金属，光束的强度为
（光强再增大可能导致金属表面熔化），设某时刻一个电子吸收了一个光子后跃迁到高能级，试通过计算定性说明这个电子在时间内再吸收下一个光子的概率大小，已知金属原子间的距离为
。
解析：金属表面每
的原子数：
附图
比较发现，原子数是光子数的4000倍，这表明：内一个电子受到光子投射的概率是 1/4000（不计原子间隙）。但原子内部是十分空旷的，电子直径的数量级为，如果把原子比做一个标准足球场，那些电子就相当于足球场外围的几粒沙子。光子要恰好能射中这个电子的概率小到难以想象的程度，因此，在普通光源照射下观察不到双光子吸收现象。
1917年爱因斯坦首先提出光的受激辐射理论，这是现代激光的理论基础。1960年第一台激光器制造成功。这一新型光源的问世给光学的发展带来了极为深远的影响。因为激光是最理想的单色光，它的平行度好、亮度高，可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。科学家采用激光来研究光电效应时发现了一些新的现象。例如用红宝石激光器发出的6943
红色脉冲强激光束通过半导体硫化镉晶体的薄片时，激光被强烈地吸收，更加意外的是在晶体表面看到了绿色的荧光。这在过去用普通光源的红光照射硫化镉晶体是无法看到这种现象的，只有用3600的紫外线照射时才能产生绿色荧光。那么，为什么硫化镉晶体不吸收弱光的红光却能吸收红色的强激光，而且在吸收过程中能产生比红光光子能量大的绿光呢？原来，用红色脉冲强激光束照射时，硫化镉晶体在密集的光子投射下，有的电子同时吸收了两个光子，出现了“双光子吸收现象”。同样的道理，在激光更强的情形下还可能发生三个、四个或更多光子的吸收现象。
前面所描述的情况中光子都是整个被电子吸收的，教学过程中还有学生提出这样的问题：“光照射到物体上时，有没有这种可能？就是电子只吸收一个光子的部分能量，而光子还能留下一部分能量？”回答是肯定的。从1922年开始，美国物理学家康普顿和我国留美学者吴有训发现：X射线被一系列原子序数不大的元素散射时，除观察到与入射波波长相同的散射波外，还观察到有些散射波的波长比入射波的波长略大。出现这种现象是因为：X射线的光子与电子碰撞时，光子的一部分能量转移给了电子。这个现象被称为“康普顿效应”，与光子碰撞后的电子被称为反冲电子。单纯从射出电子的结果看，康普顿效应与光电效应现象很相似，但还是有差别的，因为反冲电子的速度通常要比光电效应电子的速度小得多。
用X射线照射这些元素时，由于X射线的频率高于这些元素发生光电效应的极限频率，因此，发生康普顿效应的同时也发生了光电效应现象。这时，X射线的光子以二种方式被电子吸收：一是光电效应（电离吸收），电子吸收一个光子全部能量后高速射出，称为光电子，而光子不复存在；二是康普顿效应（散射吸收），光子被电子散射，电子吸收光子的一部分能量。哪一种吸收方式是主要的与照射光的频率有关，具体地讲，一般X射线（光子能量小于1MeV）的吸收主要是吸收物的原子发生电离的过程（即光电效应）；对能量较高的X射线，电离吸收的能量损失就成为次要的，而康普顿效应造成的能量损失则成为主要的。而当光子能量超过1.02MeV（短波X射线和γ射线）后，光子被吸收物吸收还有一种新的方式，那就是光子在原子核的库仑场中有可能被吸收而产生一对正、负电子，称为电子偶，而且，电子偶方式的吸收随射线能量的增加而增加，而光电效应和康普顿效应这两种方式的吸收随射线能量的增加而减弱。不过，生成的正电子只存在一个很短的时间，一旦它减慢，会被吸收物质中的电子所中和，这一湮灭过程导致一对γ光子的产生，每一个γ光子能量为0.51MeV，最终通过光电效应和康普顿效应吸收。
物理学的发展史告诉我们，任何物理理论和物理规律都只在一定的范围内适用，在理解和应用它们时不能把结论绝对化。我们所熟悉的光电效应规律是在弱光条件下总结出来的，对强光情形就不一定成立。研究已经表明，每种金属发生光电效应都存在极限频率的结论，以及爱因斯坦光电效应方程，都在弱光条件下适用，即只适用于单光子吸收的情形；而对于强光条件下，即双光子吸收或多光子吸收却是不适用的。强光条件下需要人们根据实验事实重新总结规律，从而推动光电效应的理论向前发展。