光電效應(yīng)及其應(yīng)用

目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 1Abstract 1\o"CurrentDocument"光電效應(yīng)的概念 1光電導(dǎo)效應(yīng) 2光生伏特效應(yīng) 2\o"CurrentDocument"光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 2光電效應(yīng)和經(jīng)典理論的矛盾處 3光電效應(yīng)的科學(xué)解釋 3\o"CurrentDocument"光電效應(yīng)的物理意義 3\o"CurrentDocument"光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用 4常用的光電器件 4常用光電器件的檢測 5結(jié)語 6\o"CurrentDocument"參考文獻 6光電效應(yīng)及其應(yīng)用摘要:本文介紹了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展，簡要敘述了愛因斯坦的光量子假說對光電效應(yīng)的解釋及通過實驗來驗證了愛因斯坦的光量子假說對光電效應(yīng)解釋的正確性。并介紹了光電效應(yīng)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:光電效應(yīng)；光量子；頻率；相對論ThephotoelectriceffectanditsapplicationAbsract：Thispassageintroducethediscoveryanddevelopmentofphoto-electriceffect,itbriefintroduceEinstein'slightquantahypothesis'scontributetoexplainingphoto-electriceffectandtheoryphysics，italsointroducetheapplicationofphoto-electriceffectinmodernscientifictechnology.Keywords：Photoelectriceffect；Lightquantum；Frequency；TheoryofRelativity引言光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)(Photoelectriceffect)。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年赫茲在實驗研究麥克斯韋電磁理論時偶然發(fā)現(xiàn)的。之后霍爾瓦克斯、J·J·湯姆、勒納德分別對這種現(xiàn)象進行了系統(tǒng)研究，命名為光電效應(yīng)，并得出一些實驗規(guī)律。1905年，愛因斯坦在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》一文中，用光量子理論對光電效應(yīng)進行了全面的解釋。1916年，美國科學(xué)家密立根通過精密的定量實驗證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論，使其逐漸地被人們所接受。光電效應(yīng)的概念光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)和光電效應(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的淺層(小于m)逸出，不能從金屬深層逸出的結(jié)論。光波能量進入金屬表面后不到1m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。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)部運動，

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)和光生伏特效應(yīng)。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)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強，光電材料價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。光生伏特效應(yīng)在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象如圖 1。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)換成一個個放大了的電脈沖，然后送到電子線路去，記錄下來。圖1圖1光電效應(yīng)的實驗規(guī)律每一種金屬在產(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。只有當(dāng)光的頻率大于一定值時，才有光電子發(fā)射出來；如果入射光的頻率低于極限頻率時，不論光的強度多大，照射時間多長，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)，而與光強無關(guān)。光電效應(yīng)的瞬時性。實驗發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，即幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時間不超過109s。入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間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，飽和電流越大，即一定顏色的光，入射光越強，一定時間發(fā)射的電子數(shù)目越多[3]

光電效應(yīng)和經(jīng)典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，電磁波的能量決定于它的強度，即只與電磁波的振幅有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)。而實驗規(guī)律中的第一、第二兩點顯然用經(jīng)典理論無法解釋。第三條也不能解釋，因為根據(jù)經(jīng)典理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時產(chǎn)生光電子。所有這些實際上已經(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。光電效應(yīng)的科學(xué)解釋愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng),在1905年發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》的論文,該文提出了光量子-光子假說,其容是:當(dāng)光束在和物質(zhì)相互作用時,其能流并不像波動理論所想象的那樣連續(xù)分布,而是集中在一些叫(1)(2)是金屬的脫出功(或做光子(或光量子)的粒子上。當(dāng)光束照射在金屬上時,光子一個個地打在它的表面。金屬中的電子要么吸收一個光子,要么完全不吸收[4]。而光子的能量E正比(1)(2)是金屬的脫出功(或h光電效應(yīng)滿足愛因斯坦方程2

h1/2mv0其中h為普朗克常數(shù)、v0是光電子逸出金屬表面的速度、稱功函數(shù))。光電效應(yīng)的物理意義光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲在做驗證麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時偶然發(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重要證據(jù)。愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時給出的光量子解釋不僅推廣了普朗克的量子理論，證明波粒二象性不只是能量才具有，光輻射本身也是量子化的，同時為唯物辯證法的對立統(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)。密立根的定量實驗研究不僅從實驗角度為光量子理論進行了證明，同時也為波爾原子理論提供了證據(jù)。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。年，玻爾原子理論也因密立根證實了光量子理論而獲得了實驗支持，從而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。年，密立根“因測量基本電荷和研究光電效應(yīng)”獲諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用我們把將光信號（或光能）轉(zhuǎn)變成電信號（或電能）的器件叫光電器件。現(xiàn)已有光敏管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏組件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器、光電池等光電器件。這些器件已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、軍事等領(lǐng)域。下面著重介紹幾種光電器件的應(yīng)用及其檢測方法。常用的光電器件光敏管光敏管包括光電管、光電倍增管和象管三類。光電管和光電倍增管都是輻射光的接收器件，完成光信號轉(zhuǎn)變電信號的功能[5]。光電管廣泛應(yīng)用于光電自動裝置，傳真電報、電影放映機、錄音機等設(shè)備中。光電倍增管應(yīng)用于電影放映機的還聲系統(tǒng)中。象管應(yīng)用于攝影機中。光敏電阻器光敏電阻器是一種電導(dǎo)率隨吸收的光量子多少而變化的電子元件。當(dāng)某種物質(zhì)受到光的照射時，載流子濃度增加，從而增加了電導(dǎo)率，這就是光電導(dǎo)效應(yīng)。這種附加的電導(dǎo)叫光電導(dǎo)。根據(jù)光敏電阻器的光譜特性，光敏電阻器可分為：（1）紫外光敏電阻器，用于探測紫外線；（2）可見光敏電阻器，主要用于自動控制、光電跟蹤以及照相機的自動暴光等場合；（3）紅外光敏電阻器，主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、光報警裝置、人體病變探測、紅外通信等工作中[6]。光敏二極管、三極管硅光敏管有硅光敏二極管、硅光敏三極管兩類。硅光敏管的基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，當(dāng)硅光敏二極管不受光照時，通過PN結(jié)的僅是由環(huán)境溫度產(chǎn)生的微小暗電流及加反向偏壓所產(chǎn)生的漏電流；只有受到光照時，光的能量變成電能，才產(chǎn)生光電流。光敏三極管則是光信號從基極輸入，且可以通過調(diào)節(jié)偏置來得到所需要的工作狀態(tài)和放大特性。光電耦合器光電耦合器是以光為媒介、用來傳輸電信號的器件。通常是把發(fā)光器（可見光LED或紅外光LED）與受光器（光電半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接收光照后就產(chǎn)生光電流，由輸出端引出，從而實現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。光電耦合器主要應(yīng)用于穩(wěn)壓電源、光電開關(guān)、限幅器及各種邏輯電路中。用以代替繼電器等裝置[7]。太陽能電池硅太陽能電池是將太能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。硅光電池等效于一個PN結(jié)，在光照條件下PN結(jié)兩端能產(chǎn)生電動勢。接上負載后就形成電流。硅太陽能電源系統(tǒng)利用的是取之不盡的——太陽能。硅光電池能組成太陽能手表、太陽能計算器。另外它已被廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、通信系統(tǒng)、電視機、收錄機、照明等其它領(lǐng)域。6.2常用光電器件的檢測光敏電阻的檢測光敏電阻是用硫化鎘（CdS）或硒化鎘（CdSe）材料制成的特殊電阻器，它對光線非常敏感。無光線照射時呈高阻態(tài)，隨著照度的增高，電阻值迅速降低[8]。對于光敏電阻，在沒有光照（E=0）時器件的電阻稱為暗阻，一般為一百千歐至幾十兆歐。在規(guī)定的照度下，電阻值降成幾千歐，甚至幾百歐，稱之為亮阻。顯然，暗阻愈高愈好，亮阻越底越好。檢查光敏電阻時可選擇萬用表的R×1K檔，表筆分別與管腳接通。用黑紙遮住光敏電阻時，電阻讀數(shù)接近無窮大。有光照時電阻減小。也可以將器件管帽對準(zhǔn)入射光線，用小紙片在其上面晃動，改變光敏電阻的照度，萬用表的指針將隨接收光線的強弱而左右擺動。假若萬用表的指針始終停在無窮大處，說明光敏材料損壞或部引線開路。光電耦合器的檢測用萬用表檢測光電耦合器，首先用R×100（或R×1K）檔測量發(fā)射管的正、反向電阻，檢查單向?qū)щ娦?；其次分別測量接收管的集電結(jié)與發(fā)射結(jié)的正、反向電阻，均應(yīng)單向?qū)щ?，然后測穿透電流應(yīng)等于零；最后用R×10K檔檢查發(fā)射管與接收管的絕緣電阻應(yīng)為無窮大[9]。硅光電池的檢測用萬用表檢查硅光電池有三種方法：（1）測量電阻：將萬用表撥至R×1k檔紅表筆接+，黑表筆接-。當(dāng)硅光電池置于暗處時，電阻值呈無窮大；當(dāng)它靠近白熾燈時，電阻值迅速減小。注意，因硅光電池是電源，故表筆不得接反，否則表針將打表。（2）測量開路電壓：將萬用表撥至適當(dāng)?shù)闹绷麟妷簷n（檔位可由被測對象的參數(shù)來定，不知道參數(shù)情況下，可選擇較高檔位），紅表筆接 +，黑表筆接-，以白熾燈作光源，當(dāng)兩者之間距離變化時，開路電壓值也隨之變化 [10]。（3）測量短路電流：將萬用表撥至適當(dāng)?shù)闹绷麟娏鳈n（檔位可由被測對象的參數(shù)來定，不知道參數(shù)情況下，可選擇較高檔位），紅表筆接+，黑表筆接-，以白熾燈作光源，當(dāng)兩者之間距離變化時，短路電流值也隨之變化。在日光下測短路電流時間應(yīng)盡量短，以免硅光電池發(fā)熱損壞。結(jié)語光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。光電現(xiàn)象由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。科學(xué)家們對光電效應(yīng)的深入研究對發(fā)展量子理論起了根本性的作用。同時光電效應(yīng)可以把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，動作迅速靈敏，因此利用光電效應(yīng)制作的光電器件在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)和文化生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。參考文獻王先明，朱佩平，艾爾肯·斯迪克，查新未.光電效應(yīng)中金屬與光電子的分析[J].大學(xué)物理,2007，26（3）：36-40.周世勛.量子力學(xué)教程[M].:高等教育，2009：2-3.啟鈞.光學(xué)教程[M].:高等教育，2008：309-311.褚圣麟.原子物理學(xué)[M].：人民教育，1997：56.HarshawardhanW．Determinationofe/mfrommeasurementsofthermioniccurrents[J]．Physi-calReview，2002，270（1）：3-65．NordC．TranslatingasaPurposefulActivity：FunctionalistApproachesExplained[M]．Shang-hai：ShanghaiForeignLanguageEducationPress，2001.四海,汪殿民,朱福龍等.微型柔性剪切應(yīng)力傳感器的制作研究[J].傳感器技術(shù)，2005，24(8)：80-82.AharonovYA，AnandanJ.Phasech