伦琴射线管和光电管

伦琴射线管和光电管

四川省苍溪县城郊中学 罗德富 邮编：628400

高中物理光学部分，有一个重要考点：光电效应的概念及光电效应方程的应用。我分析各地的高考试题和模拟试题发现，该知识点常常依附于光电管和电路问题考查。我注意到学生在做这部分试题时存在两个方面的问题：第一，光电管在电路中形成光电流的原理不清。第二，光电管和伦琴射线管混淆。为了解决这个问题，我对光电管和伦琴射线管的原理及相关问题分析如下。

一、伦琴射线管

1、伦琴射线管：能产生伦琴射线的阴极射线管叫伦琴射线管，也可以叫X射线管。

2、结构图

3、组成： 灯丝电源 高压电源 灯丝K（钨丝） 对阴极A

4、伦琴射线的产生：首先，灯丝电源给灯丝供电，灯丝发光并放出电子（叫热电子，速度很小，高中常常将热电子初速度当作零）。其次，高压电源在阴极K和对阴极A之间产生高压，给热电子提供一个加速电压，热电子加速后获得巨大动能。最后，获得巨大动能的热电子，打在对阴极A上，热电子的巨大动能使对阴极金属原子内层电子受激发跃迁，同时，以X射线的形式放出能量。

5、伦琴射线的产生本质：阴极K放出阴极射线打在对阴极A上，使对阴极上的原子内层电子受激发而释放出伦琴射线。阴极射线本质是高速热电子流，伦琴射线本质是高频电磁波。

例1．上图为伦琴射线管的示意图，K为阴极钨丝，发射的电子的初速度为零，A为对阴极（阳极），当AK之间加直流电压U=30KV时，电子被加速打在对阴极A上，使之发出伦琴射线，设电子的动能全部转化为伦

-19-31-34 琴射线的能量。（已知电子电量e=1.6×10C,质量m=9.1×10Kg,普朗克常量h=6.63×10J.S）

求：（1）电子到达对阴极的速度v；（取一位有效数字）

（2）由对阴极发出的伦琴射线的最短波长λ

（3）若AK间的电流为10mA，那么每秒钟从对阴极最多能辐射出多少个伦琴射线光子？

解：（1）对电子加速过程分析，根据动能定理

128mv=eU ∴ v=2eU/m=1×10m/s 2

（2）设一个电子激发出一个伦琴光子，根据能量守恒

hv =12mv=eU 2

hv =hC/λ

-11∴λ=hC/eU=4.1×10m

（3）设每秒钟打在对阴极A的电子数为n则

n=It/e

-3-19=10×10×1/1.6×10

16=6.25×10 个

N=n=6.25×1016 个

练一练：如下图所示为X极间加上几万伏的直流高压（ ） A．高压电源正极应接在P点，XB．高压电源正极应接在P点，XC．高压电源正极应接在Q点，XD．高压电源正极应接在Q点，X

二、光电管

1、光电管：利用光电效应现象将光讯号转变为电讯号的元件。

2、示意图

3、原理

（1）、结构：如图甲是光电管的示意图，管中空气已被抽出，内充有少量的惰性气体。泡内的半壁涂有逸出功较小的碱金属。

（2）、工作过程：如图乙是用光电管构成的电路，该电路可以利用光电效应现象将光讯号转变为电讯号，当有光照射到光电管的阴极K上时，若入射光子的能量大于碱金属的逸出功，将有光电子从阴极K表面向各个方向逸出，极少部分光电子打在了阳极A上，由于阴极K失去电子显正电，阳极A得到电子显负电，光电子由A逆时针向K运动，电流由K顺时针向A运动，灵敏电流计将显示出光电流。由于只有极少部分光电子在电路中形成电流，所以此时电路中的光电流非常小，在实际应用中，有时需要电路中有更大的光电流。

4、如何改变电路中的光电流？

（1）、增大电路中的光电流：

方法：在光电管两端加正向电压，即阳极接电源正极，阴极接电源负极，光电子在电场力的作用下，由K向A加速运动，光电管内单位时间由K向A流过的光电子增多，电路中的光电流增大。

特点：正向电压无条件增大光电流，也就是不管电压增大还是减小，电路中的光电流都会增大。

（2）、减小电路中的光电流：

方法：在光电管两端加反向电压，即阳极接电源负极，阴极接电源正极，光电子在电场力的作用下，由K向A减速运动，光电管内单位时间由K向A流过的光电子减少（或没有光电子到达A），电路中的光电流减小（或为零）。

特点：①当反向电压小于截止电压U0时，增大反向电压，电路中光电流减小；

②当反向电压等于截止电压U0时，电路中光电流刚好为零；

③当反向电压大于截止电压U0时，电路中光电流为零。

特点分析：在光电管两端加反向电压时，使光电子刚好不能到达阳极A的电压值，叫截止电压U0，根据动能定理和光电效应方程，

2

2mvm12hWeU0mvmhWU0 22ee

①若反向电压U反U0（或eU反eU0） 光电子刚好不能到达阳极A，光电流刚好为零。

②若反向电压U反U0（或eU反eU0） 光电子能到达阳极A，有光电流。

③若反向电压U反U0（或eU反eU0） 光电子不能到达阳极A，无光电流。

例2．如图，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为：（ ）

A． 1.9eV B. 0.6eV C. 2.5eV D. 3.1eV

解：由图可知，光电管两端加的是反向电压。

电流表读数刚好为零时，电压表读数为截止电压，即 ∵ U00．60V

∴ eU00．60eV

∵ eU0hW ∴ WheU02．5eV0．60eV1．9eV 故选：A

例3．如图所示是研究光电效应规律的装置简图，以下说法正确的是：（ ）

A．光线一旦入射到K板上就有电子被打出来，且会运动到A板上，形成光电流

B．用大于极限频率的光线照射K板时，就会形成光电流，但当滑动触头P移到a端时，光电流为零

C．电路中达到稳定电流后，将滑动触头P由图示位置移到b端，光电流数值会增加

D．在图示电路中若把电源极性接反，无论用何种频率的光照射K板，都有可能不出现光电流 解：由图可知，光电管两端加的是正向电压。

当入射光的频率大于K板金属的极限频率时，有光电子被打出来，形成光电流，正向电压无条件增大光电流的作用。

光电管与电阻aP并联，根据并联分压特性，则UAKUaP，当触头

P向b滑动时，电阻aP分得的电压增多（UaP），光电管两端的正向电

压增大（UAK），光电流会增大。

若接反向电压（eU反eU0），入射光的频率足够大，光电子的最大初动能足够大，有光电子达到阳极A，可能形成光电流。 故选：C

例4．如图所示是光电管使用的原理图，当频率为ν0的可见光照射到阴极K上时，电流表中有电流通过，则：（ ）

A．若用紫外线照射阴极K，电流表中一定有电流通过

B．若用红外线照射阴极K，电流表中一定没有电流通过

C

．若用频率为ν0的可见光照射到阴极K上时，将滑动变阻器的滑动触头移到a端时，电流表中一定没有电流通过

D．若用频率为ν0的可见光照射到阴极K上时，将滑动变阻器的滑动触头逐渐由图示位置向b端移动时，电流表示数一定增大

3

解：由图可知，光电管两端加的是正向电压。

只要阴极K有光电子产生，就应该有光电流形成，正向电压无条件增大光电流。光电管与电阻aP并联，根据并联分压特性，则UAKUaP，当触头P向b滑动时，电阻aP分得的电压增多（UaP），光电管两端的正向电压增大（UAK），光电流会增大。

可见光形成了光电流，则

∴h0W

∵ 紫0红

∴ h紫h0h红

一定有h紫h0W 可能有h0Wh红 也可能h0h红W 故选AD

例5．如图所示电路是利用光电效应现象测定金属的极限频率的实验原理图，其中电源电动势为E，内阻为r，变阻器的阻值为R=4r，两块平行金属板相距为d，当N受频率为的紫外线照射后，将发射沿不同方向运动的光电子，形成电流，从而引起电流计的指针偏转。若闭合开关S，调节变阻器R，逐渐增大极板间电压，可以发现电流逐渐减小。当电压表示数为U时，电流恰好为零。（已知普朗克常量h，电子电荷量e电子质量m光速c）

（1)、金属板N的极限频率为多少？

（2）、当电压表示数为U时，Rpb为多少？

（3）、当切断开关S，在MN间加垂直于纸面的匀强磁场，逐渐增大磁感应强度，也能使电流为零，当磁感应强度B为多大时，电流恰好为零？

解：（1）由图可知，光电管（平行金属板）两端加的是反向电压。

电流表读数刚好为零时，电压表读数为截止电压，即

∵U0U

∴eU0eU

根据光电效应方程 ∵eU012mvmhWhh0 2

∴eUhh0 ∴0eU h

（2）电容器两端的电压等于与它并联支路两端的电压，当电流恰好为零时，电压表的读数即为Rpb分担的电压， ∵UUpbIRpb

∴RpbERpb Rr5Ur E

4 （3）当切断开关S

，加上匀强磁场后，光电子将做匀速圆周运动，因光电子沿不同方向运动，当所

加磁场使向水平射出具有最大初动能的光电子刚好不能达到M板，这时的电流恰好为零，这时光电．．．．

子圆周运动的半径为r

d

2

题意知r d 2

圆周运动公式，得

2vmevmBm r

∴rmvm eB

dmvm ① 2eB

12mvm 2∴r由第（1）问，得 eU

∴2emUmvm ②

联立①②两式，得

B2

d2mU e

三、小结

1、相同点：光电管和伦琴射线管结构相似，都存在阴极和阳极，阳极也可以叫对阴极。

2、不同点：光电管利用了金属外层电子吸收一定频率光子的能量脱离原子核束缚，从金属表面逸出，形成光电子，进而在电路中形成光电流。伦琴射线管利用了热电子在高压加速电场作用下获得巨大动能，形成高速热电子流，打在阳极金属表面，进而使金属原子内层电子受激发跃迁，同时，以X射线的形式放出能量。

（四川省苍溪县城郊中学 物理组 罗德富 邮编：628400）

5