北京市2013年高考理綜物理第20題研究的是多光子光電效應(yīng)的問題，考查了對(duì)光電效應(yīng)微觀物理本質(zhì)的理解，原題如下：
以往我們認(rèn)識(shí)的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出。強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對(duì)于光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個(gè)電子在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖。用頻率為的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應(yīng)，換用同樣頻率的強(qiáng)激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應(yīng)；此時(shí)，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負(fù)極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場(chǎng)。逐漸增大U，光電流會(huì)逐漸減小；當(dāng)光電流恰好減小到零時(shí)，所加反向電壓U可能是下列的（其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電量） （ ）
A. U=-
B. U=
C. U=-
D. U=-
多光子光電效應(yīng)，這對(duì)高中學(xué)生而言是比較陌生和神奇的。在高中甚至大學(xué)本科教育階段，涉及的光電效應(yīng)一般都是指單光子光電效應(yīng)，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是這樣
的：（1）存在著飽和電流；（2）存在著遏止電壓和截止頻率；（3）光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。為了解釋這些現(xiàn)象，愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：。其中，為金屬中的電子吸收一個(gè)光子為電子逸出后的最獲得的能量,為金屬的截止頻率，為金屬的逸出功，
大初動(dòng)能，為使光電流減小到0的遏止電壓。
為什么一般討論的光電效應(yīng)都是指單光子光電效應(yīng)呢？這是因?yàn)?，在使用普通光源的情況下，電子吸收兩個(gè)以上光子能量的概率是非常非常小的，幾乎為零。事實(shí)上，愛因斯坦本人就考慮過在強(qiáng)光下發(fā)生光電效應(yīng)的可能性問題。對(duì)此，他有如下的論述：光電效應(yīng)中一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的幾率不會(huì)大于下雨天兩個(gè)雨滴同時(shí)打在一個(gè)螞蟻身上的幾率。因此，多光子光電效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上的研究成為可能，是二十世紀(jì)六十年代激光乃至強(qiáng)激光出現(xiàn)以后的事情。有了激光，對(duì)于雙光子光電效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上和理論上均取得了許多成果。利用超高光強(qiáng)激光，人們不僅觀察到雙光子和三光子的光電效應(yīng)，甚至觀察到金靶材吸收幾十個(gè)等效光子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
從微觀意義上來講，光電效應(yīng)是位于金屬表面層中的自由電子吸收了光子的能量，這能量足以克服金屬表面對(duì)它的束縛（即逸出功）而成為光電子。因?yàn)槲展庾忧敖饘俦砻骐娮拥倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)各異，所以成為光電子后速度方向和初動(dòng)能也各不同。也正因?yàn)槿绱?，光電子才?huì)存在所謂的最大初動(dòng)能
強(qiáng)激光的出現(xiàn)，使得多個(gè)光子被同一個(gè)電子吸收的概率大大增加，即多光子光電效應(yīng)。對(duì)此，愛因斯坦光電效應(yīng)方程對(duì)應(yīng)推廣為：。。 因此遏止電壓可表示為：。根據(jù)題意，當(dāng)為2的正整數(shù)時(shí)的遏止電壓都是可能發(fā)生的多光子光電效應(yīng)，因此選B。
本題充分考查了學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的物理本質(zhì)理解以及知識(shí)的遷移能力，可以說是既立足于考綱又不局限于考綱，是北京高考命題的一個(gè)亮點(diǎn)，也是未來命題的趨勢(shì)。
相比單光子效應(yīng)，多光子光電效應(yīng)的規(guī)律不僅限于遏止電壓的變化，還應(yīng)該有如下相應(yīng)的變化：
（1）仍存在著飽和電流，但光電流的大小和入射光的強(qiáng)度不再限于線性關(guān)系，而是與光強(qiáng)的次冪成正比。
（2）入射光的光強(qiáng)對(duì)多光子效應(yīng)能否發(fā)生起作用，因此，光強(qiáng)會(huì)對(duì)光電子的最大初動(dòng)能有影響。
（3）極限頻率和遏止電壓失去原有意義。多光子情形下極限頻率和遏止電壓分別為和。隨著的增加，極限頻率呈現(xiàn)臺(tái)階式逐漸遞減，而遏止電壓呈現(xiàn)臺(tái)階式遞增。這些變化意味著原本在單光子效應(yīng)下需要紫外光才能發(fā)生的光電效應(yīng)，現(xiàn)在低頻率的紅色強(qiáng)激光就可以發(fā)生。
（4）多光子光電效應(yīng)中電子對(duì)光子的響應(yīng)和單光子情形差異不大，仍具有瞬時(shí)性。
由此可見，常規(guī)中學(xué)物理教學(xué)中所涉及的光電效應(yīng)，就是指單光子光電效應(yīng)，其適用的對(duì)象為普通光。但是在光電效應(yīng)教學(xué)的后期拓展階段，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，引入強(qiáng)激光作用下多光子效應(yīng)的學(xué)習(xí)分析和研究。其實(shí)，多光子效應(yīng)并不神奇，它在物理本質(zhì)上與單光子效應(yīng)無異，應(yīng)注重對(duì)物理思維和邏輯類比能力的培養(yǎng)。
參考文獻(xiàn)：
[1]許國(guó)材.多光子光電效應(yīng)[J].大學(xué)物理,1993,12:34-37.
[2]A.T.Georges Theory of the multiphoton photoelectric effect:A stepwise excitation process[J]. Phys.Rev.B 1995,51:13735-13738.
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