多光子吸收与光电效应规律研究

王良 夏雪 魏南

摘 要：多光子吸收与光电效应是一种物理效应，明晰两者效应过程及规律能帮主研究学者进一步了解光电效应。本文阐述多光子吸收过程，具体阐述光电效应，分析光电效应规律，旨在为相关人员提供参考依据。

关键词：多光子吸收;光电效应;规律

引言：

光电效应是一种物理效应，是光能量转化成电能的一个过程，其本身产生物理反应及规律是历代研究学者认识和了解光的粒子性和建立光子说的基本前提。在进行光电效应实验过程中，光通过光电流来表现其本身特殊性质与具体行为，产生条件与发生大小同样受几方面因素影响，如入射光光谱成分（频率、强度）、金属板材料以及外电场电压（正反向和大小）等因素，限制性较强，是物理学学习重点与难点。因此，为进一步突破教学难点，深入了解光电效应具体发生规律，本文将重点分析与研究光电效应中多光子吸收与光电效应规律。

1多光子吸收概念阐述及过程

1.1多光子吸收概念阐述

从概念角度来看，多光子吸收是一种非线性光学效应。在高强度激光束照射下，物质有可能同时吸收几个、甚至几十个光子，也可理解为多个光子同时被吸收，物质从初态跃迁至终态，而仅仅经过虚设的中间状态。

从应用范围角度来看，多光子吸收可能会伴随多光子发射及电导光电、荧光、离解、光化学反应等多光子效应，这些现象反过来也有助于多光子吸收过程研究。激光照射所引起多光子吸收过程已成功用于同位素硫分离，且在光谱学、物性研究、同位素分离以及光化学等领域有着重要应用。

1.2多光子吸收过程

爱因斯坦曾提出光量子假设，为光电效应出现做了个成功解释，但是其研究内容仍有着巨大局限性。二十年代末，有人就金属中的电子是否仅仅局限于吸收一个光子这一话题提出质疑，认为金属中的电子可能同时吸收两个或者多个光子，甚至是无数个光子。爱因斯坦在提出假设之际，亦发现此种可能性。在分析荧光辐射时，他以为在某种特定情况下，斯托克斯定律的偏离可以认同。当提出光电效应方程式后，他再次提出在探索此规律适用范围时要遵循基本规律。

1931年至1975年间，许多实验皆证明光电效应中多光子吸收可能性较大。

1931年，M。Gopperr  Mayer使用量子力学成功计算出辐射和原子系统相互作用问题，并提出，当金属在强光照射下，其中电子可能同时吸收多个光子。

1961年，M.Kaiser等人用红宝石激光器所发出的6943红光照射道掺有的上，发现荧光强度为4250，荧光强度随着入射激光强度增强而加大。经过一系列分析与数据对比，判定此过程为双光子吸收过程。

1964年，M.C.Teich等人初次证实金属面上双光子吸收过程，双光子光电效应正式实现。

1967年，Gy.Farkas使用红宝石激光在照射在金和银上面，成功证实三光子吸收过程。

1975年，N.Bloemberger使用Nd：YAG激光照射在钨上面，成功证实四光子吸收过程。

以上事实充分排除金属中电子只能同时吸收一个光子这一研究结论，成功证实光电效应中多光子吸收的可能性。

2光电效应及其规律

2.1光电效应概述

2.1.1光电效应产生背景

光電效应是一种物理现象，在光照射下，某些物质内部电子会被光子激发出来进而形成电流，通俗点来说，便是光生电。光电现象由赫兹于1887年在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现，为探索光的粒子性和建立光子说奠定了基础，后续有许多物理学家陆续证实这一现象。

1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯证实是在放电期间出现荷电体的缘故。

1899年，J.J.汤姆孙铜鼓实验证实该荷电体育阴极射线皆是电子流。

1899年至1902年间，勒纳德就光电效应进行了系统性研究，并且成功命名为光电效应。

1905年，爱因斯坦发表《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，并用光量子理论对光电效应进行全面解释。

1916年，美国科学家密立根通过精细实验成功证实爱因斯坦理论解释，进而证实了光量子理论。

2.1.2光电效应基本概念

在实验研究中，光电效应充分说明光具有粒子性，同时光也具有波动性。当光的频率超过某一极限频率时，受光照射的金属表面便会产生光电子，进而发生光电效应。如果在金属表面加一个闭合电路，并且加上正向电源，这些光电子全部叨叨阳极后便能形成所谓的光电流。在入射光保持一定时，增大光电管两极正向电压，提高光电子动能，光电流会随之增大，但是光电流并不会无限增大，最终固定在某个值上，又称饱和电流。因此，当入射光强度增大时，根据光子假设，决定于单位时间内通过单位垂直面积的光子数，单位时间内通过金属表面光子数也会增多，进而使得光子与金属中的电子碰撞次数增多，单位时间内从金属表面逸出光电子增多，饱和电流随之增大。

2.2光电效应规律

从光电效应实验中来看，光电效应有如下几种规律：一是饱和光电流与入射光强度城正比。若使用一定频率与强度的单色光照射阴极，改变两极电压，可知光电流随着电压增大而增大，并逐渐趋于饱和状态。另外，光电流随着入射光强度增大而增多;二是光电效应中产生的光电子速度与光的频率有关，与入射光强度无光。在实验过程中发现，当两极电压调制为零时，光电流并不为零，只有电压小于截止电压时，光电流才会为零。这充分表明从阴极逸出的光电子具有一定初动能，光电效应中产生的电子速度与光入射强度无关;三是每种金属在产生光电效应时皆存在极限频率，即照射光的频率不能低于某一临界值。当入射光频率低于极限频率时，无法产生光电效应。经实验发现，在金属相同情况下，当入射光频率低于极限频率时，光电子最大初动能为零。如果再次降低入射光频率，那么无论入射光强度多大，皆无法产生光电效应，说明光电效应产生前提条件为入射光频率大于极限频率;四是光电效应产生具有瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属极限频率，光亮度无论强弱，光子几乎都是瞬时产生，响应时间不超过十的负九次方秒。

参考文献：

[1]李曙光，高华娜.光强度对光电效应实验规律的影响[J].忻州师范学院学报，2002（05）：46-47.

[2]景义林.强光照射下物质内电子的多光子吸收现象与内光电效应[J].物理教师，2002（08）：16.

[3]龚天宋.多光子吸收与光电效应规律探究[J].惠州大学学报（自然科学版），1994（04）：88-90.

作者简介：

第一作者：王良（1989.05—），男，汉族，山东省淄博市人，本科，研究方向：光电效应电磁说及光波性质探讨。

第二作者：夏雪（1992.06—），女，汉族，山东省济南市人，硕士研究生。

第三作者：魏南（1996.08—），女，汉族，吉林省榆树市人，专科，研究方向：多光子吸收与光电效应规律研究。