（精品）論文光電效應(yīng)

1、論文光電效應(yīng)固體物理里的基本概念之一-光電效應(yīng)簡(jiǎn)要探討光電效應(yīng)關(guān)鍵字：光量子；空穴-電子對(duì)；半導(dǎo)體；波粒二象性光照射到某些 物質(zhì)上，有電子從物質(zhì)表面發(fā)射出來的現(xiàn)象稱之為光電效應(yīng) (Photoelectriceffect)。這一現(xiàn)象最早是 1887 年赫茲在實(shí)驗(yàn)研究麥克 斯韋電磁理論時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的。之后霍爾瓦克斯、J J 湯姆孫、勒納德分 別對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，命名為光電效應(yīng)，并得出一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律。 1905 年，愛因斯坦在關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)一文中， 用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了全面的解釋。 1916 年，美國(guó)科學(xué)家密立 根通過精密的定量實(shí)驗(yàn)證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也證明

2、了光量子 理論，使其逐漸地被人們所接受。1 光電效應(yīng)的概念光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)中多數(shù)金屬中的 光電子只能從靠近金屬表面內(nèi)的淺層(小于 m)逸出，不能從金屬內(nèi)深層 逸出的結(jié)論。光波能量進(jìn)入金屬表面后不到 1 的距離就基本被吸收完了。 1外光電效應(yīng)是被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子 的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子(自由電子或空穴)仍在 物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。分為光 電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效固體物理里的基本概念之一-光電效應(yīng)應(yīng)。 21 光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引 起材料

3、電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征 半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到 導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2 光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件 有光電池和光敏二極管、三極管。基于外光電效應(yīng)的電子元件有光電管、 光電倍增管。光電倍增管能將一次次閃光轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)放大了的電脈沖， 然后送到電子線路去，記錄下來。光電效應(yīng)2 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律固體物理里的基本概念之一-光電效應(yīng)1每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)是都存在極限頻率(或稱截止頻率)， 即照射光的頻率不能低于某一臨界值。當(dāng)入射

4、光的頻率低于極限頻率時(shí)， 無論多強(qiáng)的光都無法使電子逸出。2光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。3光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻 率，光的亮度無論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，即幾乎在照到金屬 時(shí)立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間不超過十的負(fù)九次方秒。4.入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱，即只影響在單位時(shí)間內(nèi)由單位 面積是逸出的光電子數(shù)目。在光顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電 流越大，即一定顏色的光，入射光越強(qiáng)，一定時(shí)間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)目越多。 33 光電效應(yīng)和電磁理論的矛盾處在光電效應(yīng)中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁 理論，光是電磁波，

5、電磁波的能量決定于它的強(qiáng)度，即只與電磁波的振幅 有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)。而實(shí)驗(yàn)規(guī)律中的第一、第二兩點(diǎn)顯然用經(jīng) 典理論無法解釋。第三條也不能解釋，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典理論，對(duì)很弱的光要 想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個(gè)能量積累的過程而不可能瞬時(shí) 產(chǎn)生光電子。所有這些實(shí)際上已經(jīng)曝露出了經(jīng)典理論的缺陷，要想解釋光 電效應(yīng)必須突破經(jīng)典理論。 4 光電效應(yīng)的科學(xué)解釋愛因斯坦寫道：“根據(jù)這種假設(shè)，從一點(diǎn)所發(fā)出的光線在不斷擴(kuò) 大的空間中的傳播時(shí)，它的能量不是連續(xù)分布的，而是由一些數(shù)目有限的， 局限于空間固體物理里的基本概念之一-光電效應(yīng)中某個(gè)地點(diǎn)的“能量子”(energyquanta)所組成的。這些能量子

6、是不 可分割的，它們只能整份地被吸收或發(fā)射?！苯M成光的能量的這種最小的 基本單位，愛因斯坦后來把它們叫做“光量子”(lightquanta)。當(dāng)光照 射到金屬表面時(shí)，能量為 hv 的光子被電子所吸收，電子把這份能量的一 部分用來克服金屬表面對(duì)它的吸引，另一部分用來提供電子離開金屬表面 時(shí)的動(dòng)能。寫成公式： 2mv2=hvw,這很好地解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。 415 光電效應(yīng)的物理意義光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲在做驗(yàn)證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)的，而這一現(xiàn)象卻成了突破麥克斯韋電磁理論的一個(gè)重要證據(jù)。愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時(shí)給出的光量子解釋不僅推廣了普朗克的量 子理論，證明波粒二象性不

7、只是能量才具有，光輻射本身也是量子化的， 同時(shí)為唯物辯證法的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律提供了自然科學(xué)證據(jù)，具有不可估量的 哲學(xué)意義。這一理論還為波爾的原子理論和德布羅意物質(zhì)波理論奠定了基 礎(chǔ)。密立根的定量實(shí)驗(yàn)研究不僅從實(shí)驗(yàn)角度為光量子理論進(jìn)行了證明，同 時(shí)也為波爾原子理論提供了證據(jù)。1921 年，愛因斯坦因建立光量子理論并成功解釋了光電效應(yīng)而獲得 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1922 年，玻爾原子理論也因密立根證實(shí)了光量子理論而獲得了實(shí)驗(yàn) 支持，固體物理里的基本概念之一-光電效應(yīng)從而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1923 年，密立根“因測(cè)量基本電荷和研究光電效應(yīng)”獲諾貝爾物理 學(xué)獎(jiǎng)。 6 光在本質(zhì)上到底是一種什么東西微粒說和波

8、動(dòng)說古希臘時(shí)代的人們傾向于把光看成是一種非常細(xì)小的粒子流，換句話 說光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。十七世紀(jì)初格里馬第由水波的衍射聯(lián)想到光可能是一種類似水波的波 動(dòng)，這就是最早的光波動(dòng)說。胡克在 1665 年出版的顯微術(shù)一書中明確地支持波動(dòng)說。惠更斯 成功地證明和推導(dǎo)了光的反射和折射定律。粒子說，牛頓從粒子的角度解釋了薄膜透光，牛頓環(huán)以及衍射實(shí)驗(yàn)中 發(fā)現(xiàn)的種種現(xiàn)象。托馬斯.楊的光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。菲涅耳革命性地認(rèn)為光是一種橫波 圓滿地解釋了光的衍射和偏振問題。1887 年赫茲證實(shí)了麥克斯韋的光是電磁波的一種的理論預(yù)言。19 世紀(jì)后期，先后發(fā)現(xiàn)了某射線，放射性元素，電子。1909 年愛因斯

9、坦有了光的波粒二象性的思想，才結(jié)束了關(guān)于光的本質(zhì)這一持久的爭(zhēng)論。7 光電效應(yīng)在材料方面的應(yīng)用固體物理里的基本概念之一-光電效應(yīng)發(fā)光材料：某光照射到物體后，在吸收過程中會(huì)遇到使它削弱的情況，最常見的 是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)將產(chǎn)生大量的次級(jí)電子，這些次級(jí)電子像陰極射線發(fā)光那樣，可以激發(fā)發(fā)光材料。 5太陽能電池：太陽光照在半導(dǎo)體 p-n 結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在 p-n 結(jié)電場(chǎng) 的作用下，空穴由 n 區(qū)流向 p 區(qū)，電子由 p 區(qū)流向 n 區(qū)，接通電路后就形 成電流。這就是太陽能工作原理。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而 將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光找到光電二

10、極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽光變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許 多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。 6金屬的防腐蝕：TiO2，是一種具有良好物理和化學(xué)穩(wěn)定性的 N 型半導(dǎo)體材料，在紫外 光(387nm)照射下，價(jià)帶電子(e-)就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng) 的空穴(h+)，e-具有較強(qiáng)的還原性， h+具有較強(qiáng)的氧化性當(dāng)將 Ti02 涂 覆于金屬表面或作光陽極與金屬相連時(shí)，光照激發(fā)產(chǎn)生的電子 e-由導(dǎo)帶 進(jìn)入金屬中去，從而使金屬的電極電位降低，抑制了金屬的腐蝕由此可 以看出， Ti02 對(duì)金屬起的光防腐蝕作用相當(dāng)于一種陰極保護(hù)效應(yīng)，但與 犧牲陽極法不同， Ti02 在光防腐蝕過程中沒有陽極溶解，從理論上說 Ti02 在防腐蝕作用過程