光電效應(yīng)的概況和應(yīng)用

1、光電效應(yīng)的概況和應(yīng)用一. 光電效應(yīng)原理 1905年，愛(ài)因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦第一個(gè)成功的解釋了光電效應(yīng)（金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子）。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波

2、長(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)無(wú)法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長(zhǎng)一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無(wú)關(guān),光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。 光電效應(yīng)說(shuō)明了光具有粒子性。相對(duì)應(yīng)的，光具有波動(dòng)性

3、最典型的例子就是光的干涉和衍射。 只要光的頻率超過(guò)某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會(huì)逸出光電子，發(fā)生光電效應(yīng)。當(dāng)在金屬外面加一個(gè)閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極便形成所謂的光電流。在入射光一定時(shí)，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動(dòng)能，光電流會(huì)隨之增大。但光電流不會(huì)無(wú)限增大，要受到光電子數(shù)量的約束，有一個(gè)最大值，這個(gè)值就是飽和電流。所以，當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，根據(jù)光子假設(shè)，入射光的強(qiáng)度（即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的光能）決定于單位時(shí)間里通過(guò)單位垂直面積的光子數(shù)，單位時(shí)間里通過(guò)金屬表面的光子數(shù)也就增多，于是，光子與金屬中的電子碰撞次數(shù)也增多，因而單位時(shí)間里從金屬表面

4、逸出的光電子也增多，飽和電流也隨之增大。二.光電效應(yīng)發(fā)展歷程 (一).光電效應(yīng)理論的發(fā)展 1887年，首先是赫茲在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的, 對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用。當(dāng)時(shí)，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過(guò)電花。 大約1900年，馬克思普朗克對(duì)光電效應(yīng)作出最初解釋，并引出了光具有的能量包裹式能量這一理論。他給這一理論歸咎成一個(gè)等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一個(gè)常數(shù)，統(tǒng)稱普朗克常數(shù)，而f就是光源的頻率。也就是說(shuō)，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是普朗克自己對(duì)于光線是包裹式的說(shuō)法也不太肯定。 1902年，勒納也對(duì)其進(jìn)行了研

5、究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋。 1905年，愛(ài)因斯坦26歲時(shí)提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W，W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek就是電子自由后具有的動(dòng)能。 (二).對(duì)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究 1887年，赫茲在做證實(shí)麥克斯韋的電磁理論的火花放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲用兩套放電電極做實(shí)驗(yàn)，一套產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套作為接收器。他意外發(fā)現(xiàn)，如果接收電磁波的電極受到紫外線的照射，火花放電就變得容易產(chǎn)生。赫茲的論文紫外線對(duì)放

6、電的影響發(fā)表后，引起物理學(xué)界廣泛的注意，許多物理學(xué)家進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯證實(shí)，這是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)了荷電體的緣故。1899年，湯姆孫用巧妙的方法測(cè)得產(chǎn)生的光電流的荷質(zhì)比，獲得的值與陰極射線粒子的荷質(zhì)比相近，這就說(shuō)明產(chǎn)生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這樣，物理學(xué)家就認(rèn)識(shí)到，這一現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內(nèi)部的自由電子獲得更大的動(dòng)能，因而從金屬表面逃逸出來(lái)的一種現(xiàn)象。 18991902年，勒納德對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并首先將這一現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)”。為了研究光電子從金屬表面逸出時(shí)所具有的能量，勒納德在電極間加一可調(diào)節(jié)反向

7、電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面時(shí)的最大速度。他選用不同的金屬材料，用不同的光源照射，對(duì)反向電壓的截止值進(jìn)行了研究，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律。根據(jù)動(dòng)能定理：qU=mv1/2，可計(jì)算出發(fā)射出電子的能量?？傻贸觯篽f=(1/2)mv2+I+W。 深入的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律與經(jīng)典理論存在諸多矛盾，但許多物理學(xué)家還是想在經(jīng)典電磁理論的框架內(nèi)解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。勒納德在1902年提出觸發(fā)假說(shuō)，假設(shè)在電子的發(fā)射過(guò)程中，光只起觸發(fā)作用，電子原本就是以某一速度在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，光照射到原子上，只要光的頻率與電子本身的振動(dòng)頻率一致，就發(fā)生共振，電子就以其自身的速度從原子內(nèi)

8、部逸出。勒納德認(rèn)為，原子里電子的振動(dòng)頻率是特定的，只有頻率合適的光才能起觸發(fā)作用。勒納德的假說(shuō)在當(dāng)時(shí)很有影響，被一些物理學(xué)家接受。但是，不久，勒納德的觸發(fā)假說(shuō)被他自己的實(shí)驗(yàn)否定。當(dāng)時(shí)，還有一些物理學(xué)家試圖把光電效應(yīng)解釋為一種共振現(xiàn)象。三.光電效應(yīng)的主要應(yīng)用利用光電效應(yīng)可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，利用光信號(hào)與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。可以制造光電轉(zhuǎn)換器。光電器件在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)和文化生活領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用如應(yīng)用于光功率測(cè)量、光信號(hào)記錄、電影、電視和自動(dòng)控制等諸多方面。1.光電管光電管就是應(yīng)用最普遍的一種光電器件。最早的電影是沒(méi)有聲音的后來(lái)雖然有了聲音，但那是靠留聲機(jī)來(lái)配合影片播放的聲和影配合

9、不好時(shí)，效果當(dāng)然不好我們現(xiàn)在能夠看到聲和影完全配合一致的有聲電影，還是多虧了光電管。影片攝制完后，要進(jìn)行錄音錄音時(shí)通過(guò)專門的設(shè)備使聲音的變化轉(zhuǎn)變成光的變化，從而把聲音的“像”攝制在影片的邊緣上，形成寬窄變化的暗條紋，這就是影片邊上的音道放映電影時(shí)，利用光電管把“聲音的照片”還原成聲音方法是：在電影放映機(jī)中用強(qiáng)度不變的極窄的光束照射音道，由于影片上各處的音道寬窄不同，所以在影片移動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)音道的光的強(qiáng)度也就不斷變化；變化的光射向光電管時(shí)，在電路中產(chǎn)生變化的電流，把電流放大后，通過(guò)喇叭就可以把聲音放出來(lái)。2.光控繼電器 光電效應(yīng)的應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)中的大部分光電控制設(shè)備都用光控繼電器光控繼電器在工

10、業(yè)上可以用于產(chǎn)品的自動(dòng)計(jì)數(shù)、安全生產(chǎn)等方面用于自動(dòng)計(jì)數(shù)時(shí)，可以把產(chǎn)品放在傳送帶上，光源和光電管分別放在傳送帶的兩側(cè)，每當(dāng)傳送帶上輸送過(guò)去一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，光線被擋住一次，光控繼電器就放開(kāi)銜鐵一次，由銜鐵控制的計(jì)數(shù)器的數(shù)字就加一工人在沖床、鉆床、鍛壓機(jī)械上勞動(dòng)時(shí)，如有不慎，容易出事故為保證安全，可以在這些機(jī)床上安裝光控繼電器當(dāng)工人不慎將手伸入危險(xiǎn)部位時(shí)，由于遮住了光線，光控繼電器就立即動(dòng)作，使機(jī)床停下來(lái)，避免事故的發(fā)生。3.太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)是:把一個(gè)大面積PN結(jié)做好上下電極的接觸引線就構(gòu)成一個(gè)太陽(yáng)電池。為更好地接受日光照射,正面電極不能遮光,常做成柵狀。為了減少入射光的反射,一般在表面層

11、上再做一層減反射膜,表面層下是PN結(jié),底電極一般做成大面積的金屬板。 目前,太陽(yáng)電池的應(yīng)用已十分廣泛。它已成為宇宙飛船、人造衛(wèi)星、空間站的重要長(zhǎng)期電源。在其它方面的應(yīng)用也十分普遍。關(guān)于目前國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)電池電源設(shè)備應(yīng)用的情形簡(jiǎn)介如下: 宇宙開(kāi)發(fā)觀測(cè)用人造衛(wèi)星、宇宙飛船、通訊用人造衛(wèi)星；航空運(yùn)輸飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)燈標(biāo)、航空障礙燈、地對(duì)空無(wú)線電通訊；氣象觀測(cè)無(wú)人氣象站、積雪測(cè)量計(jì)、水位觀測(cè)計(jì)、地震遙測(cè)儀；航線識(shí)別航標(biāo)燈、浮子障礙燈、燈塔、潮流計(jì)；通訊設(shè)備無(wú)線電通訊機(jī)、步談機(jī)、電視廣播中繼站；農(nóng)畜牧業(yè)電圍欄、水泵、溫室、黑光燈、噴霧器、割膠燈；公路鐵路無(wú)人信號(hào)燈、公路導(dǎo)向板、障礙閃光燈、備急電話；日常生活照相機(jī)

12、、手表、野營(yíng)車、游艇、手提式電視機(jī)、閃光燈。4.光電探測(cè)器 光電探測(cè)器是對(duì)半導(dǎo)體光電效應(yīng)的重要應(yīng)用。光電探測(cè)器是指對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件。其中光敏管(包括各種光敏二極管、光敏三極管和一些光敏晶體管)是此類光電器件的重要組成部分。它與我們高中教材傳感器實(shí)驗(yàn)中研究的光敏電阻都是實(shí)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)化的裝置。光電探測(cè)器在科技、生活、生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)中都有著重要的應(yīng)用。例如數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、天文顯微鏡、GPS全球定位系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星拍攝的氣象云圖、巡航導(dǎo)彈目標(biāo)定位等等。這些應(yīng)用中最基本的是有一個(gè)非常靈敏的光電探測(cè)器。5.光機(jī)鼠標(biāo) 根據(jù)工作原理，鼠標(biāo)大致可以分為機(jī)械式、光學(xué)機(jī)械式、光電式以及軌跡球、無(wú)線等類型。鼠標(biāo)雖然有很多種，當(dāng)然目前最多的是光學(xué)機(jī)械式的鼠標(biāo)了，簡(jiǎn)稱為“光機(jī)鼠”。光機(jī)鼠的結(jié)構(gòu)：鼠標(biāo)內(nèi)有一個(gè)圓的實(shí)心的橡皮球，在它