光電效應(yīng)總結(jié)

★光電效應(yīng)定律定義光電效應(yīng)光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而奇特的現(xiàn)象。在高于某特定頻率的電磁波照耀下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)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年覺察，而正確的解釋為愛因斯坦所提出?？茖W(xué)家們?cè)跔幷摴怆娦?yīng)的過程中，物理學(xué)者對(duì)光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解，這對(duì)波粒二象性概念的提出定律定義光電效應(yīng)光照耀到金屬上，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)〔Photoelectric，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)。依據(jù)粒子說，光是由一份一份不連續(xù)的光子組成，當(dāng)某一光子照耀到對(duì)光靈敏的金屬(如硒)上時(shí)，它的能量可;假設(shè)動(dòng)能增大到足以抑制原子核對(duì)它的飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強(qiáng)，這種由光能變成電能自動(dòng)放電的現(xiàn)象，就叫光電效應(yīng)。赫茲于1887年覺察光電效應(yīng)，愛因斯坦第一個(gè)成功的解釋了光電效應(yīng)〔金屬外表在光輻照作用下放射電子的效應(yīng)，放射出來的電子叫做光電子。光波長小于某一臨界值時(shí)方能放射電子，即極限波長，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，而放射電子的能量取決于光的波長而與光強(qiáng)度無關(guān)，這一點(diǎn)無法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相沖突，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，假設(shè)入射光較弱，照耀的時(shí)間要長一些，金屬中的電子才能積存住足夠的能量，飛出金屬外表?？墒聦?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(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，只是大局部都垂直于金屬外表射出，與光照方向無關(guān)。光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，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)說明白光具有粒子性。相對(duì)應(yīng)的，光具有波動(dòng)性最典型的例子就是光的干預(yù)和衍射。只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照耀的金屬外表馬上就會(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)陽極便形成所謂的光電流。在入射光肯定時(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)，依據(jù)光子假設(shè)，入射光的強(qiáng)度〔即單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的光能〕打算于單位時(shí)間里通過單位垂直面積的光子數(shù)，單位時(shí)間里通過金屬外表的光子數(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)間里從金屬外表逸出的光電子也增多，電流也隨之增大。數(shù)學(xué)推導(dǎo)光束里的光子所擁有的能量與光的頻率成正比。假設(shè)金屬里的自由電子吸取了一個(gè)光子的能量，而這能量大于或等于某個(gè)與金屬相關(guān)的能量閾〔閥〕值〔稱為這種金屬的逸出功，則此電子由于擁有了足夠的能量，會(huì)從金屬中逃逸出來，成為光電子；假設(shè)能量缺乏，則電子會(huì)釋出能量，能量重成為光子離開，電子能量恢復(fù)到吸取之前，無法逃逸離開金屬。增加光束的輻照度會(huì)增加光束里光子的“密度”，在同一段時(shí)間內(nèi)激發(fā)更多的電子，但不會(huì)使得頻率有關(guān)。被光束照耀到的電子會(huì)吸取光子的能量，但是其中機(jī)制遵照的是一種非全有即全無的判據(jù)，光子全部能量都必須被吸取，用來抑制逸出功，否則這能量會(huì)被釋出。假設(shè)電子所吸取的能量能夠抑制逸出功，并且還有剩余能量，則這剩余能量會(huì)成為電子在被放射后的動(dòng)能。逸出功W是從金屬外表放射出一個(gè)光電子所需要的最小能量。假設(shè)轉(zhuǎn)換到頻率的角度來看，光子的頻率必需v0W=h*v0其中，hh*v0的光子的能量。Kmax為Kmax=hv-W=h〔v-v0〕其中，hv是光頻率為v的光子所帶有并且被電子吸取的能量。實(shí)際物理要求動(dòng)能必需是正值，因此，光頻率必需大于或等于極限頻率，光電效應(yīng)才能發(fā)生。光電效應(yīng)原文關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)愛因斯坦19053月在物理學(xué)家關(guān)于氣體或其他有重物體所形成的理論觀念同麥克斯韋關(guān)于所謂空虛空間中的電磁過程的理論之間，有著深刻的形式上的分歧。這就是，我們認(rèn)為一個(gè)物體的狀態(tài)是由數(shù)目很大但還是有限個(gè)數(shù)的原子和電子的坐標(biāo)和速度來完全確定的；與此相反，為了確定一個(gè)空間的電磁狀態(tài)，我們就需要用連續(xù)的空間函數(shù)，因此，為了完全確定一個(gè)空間的電磁狀態(tài)，就不能認(rèn)為有限個(gè)數(shù)的物理量就足夠了。依據(jù)麥克斯韋的理論，對(duì)于一切純電磁現(xiàn)象因而也對(duì)于光來說，應(yīng)當(dāng)把能量看作是連續(xù)的空間函數(shù)，而依據(jù)物理學(xué)家的看法，一個(gè)有重客體的能量，則應(yīng)當(dāng)用其中原子和電子所帶能量的總和來表示。一個(gè)有重物體的能量不行能分成任意多個(gè)、任意小的局部，而依據(jù)光的麥克斯韋理論〔或者更一般地說，依據(jù)任何波動(dòng)理論，從一個(gè)點(diǎn)光源放射出來的光束的能量，則是在一個(gè)不斷增大的體積中連續(xù)地分布的。用連續(xù)空間函數(shù)來運(yùn)算的光的波動(dòng)理論，在描述純悴的光學(xué)現(xiàn)象時(shí)，已被證明是格外卓越的，似乎很難用任何折射、色散等等理論完全為試驗(yàn)所證明，但仍可以設(shè)想，當(dāng)人們把用連續(xù)空間函數(shù)進(jìn)展運(yùn)算的光的理論應(yīng)用到光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象上去時(shí)，這個(gè)理論會(huì)導(dǎo)致和閱歷相沖突。確實(shí)在我看來，關(guān)于黑體輻射，光致發(fā)光、紫外光產(chǎn)生陰極射線，以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的觀看，假設(shè)用光的能量在空間中不是連續(xù)分布的這種假說來解釋．似乎就更好理解。依據(jù)這里所設(shè)想的假設(shè)，從點(diǎn)光源放射出來的光束的能量在傳播中不是連續(xù)分布在越來越大的空間之中，而是由個(gè)數(shù)有限的、局限在空間各點(diǎn)的能量子所組成，這些能量子能夠運(yùn)動(dòng)，但不能再分割，而只能整個(gè)地被吸取或產(chǎn)生出來。下面我將表達(dá)一下我的思考過程，并且援引一些引導(dǎo)我走上這條道路的事實(shí)，我期望這里所要說明的觀點(diǎn)對(duì)一些爭論工作者在他們的爭論中或許會(huì)顯得有用?！?關(guān)于“黑體輻射”理論的一個(gè)困難讓我們首先仍承受麥克斯韋理論和電子論的觀點(diǎn)來考察下述狀況。設(shè)在一個(gè)由完全反射壁圍住的空間中，有一定數(shù)目的氣體分子和電子，它們能夠自由地運(yùn)動(dòng)，而且當(dāng)它們彼此很靠近時(shí)，相互施以保守力的作用，也就是說，它們能夠象氣體[分子]運(yùn)動(dòng)理論中的氣體分子那樣相互碰撞。此外，還假設(shè)有肯定數(shù)目的電子被某些力束縛在這空間中一些相距很遠(yuǎn)的點(diǎn)上，力的方向指向這些點(diǎn)，其大小同電子與各點(diǎn)的距離成正比。當(dāng)自由的[氣體]分子和電子很靠近這些[束縛][力]間點(diǎn)上的電子為“振子”；它們放射肯定周期的電磁波，也吸取同樣周期的電磁波。依據(jù)有關(guān)光的產(chǎn)生的現(xiàn)代觀點(diǎn)，在我們所考察的空間中，依據(jù)麥克斯韋理論處于動(dòng)態(tài)平衡狀況下的輻射，應(yīng)當(dāng)與“黑體輻射”完全等同——至少當(dāng)我們把一切具有應(yīng)加以考慮的頻率的振子都看作存在時(shí)是這樣。能量的平均值為我們暫且不考慮振子放射和吸取的輻射，而深入探討同分子和電子的相互作用〔或碰憧〕相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡的條件問題。氣體[分子]運(yùn)動(dòng)理論為動(dòng)態(tài)平衡提出的條件是：一個(gè)電子振子的平均動(dòng)能必需等于一個(gè)氣體分子平移運(yùn)[分][分]振動(dòng)的能量的平均值為均值相等，所以能量等于自由單原子氣體分子的動(dòng)能的。假設(shè)現(xiàn)在不管由于哪一種緣由——在我們的狀況下由于輻射過程——使一個(gè)振子的能量具有大于或小于的時(shí)間平均值，那末，它同自由電子和分子的碰撞將導(dǎo)致氣體得到或喪失平均不等于零的能量。因此，在我們所考察的狀況中，只有當(dāng)每一個(gè)振子都具有平均能量時(shí)，動(dòng)態(tài)R是確定氣體常數(shù)，N是克當(dāng)量的“實(shí)際分子均值相等，所以能量等于自由單原子氣體分子的動(dòng)能的。假設(shè)現(xiàn)在不管由于哪一種緣由——在我們的狀況下由于輻射過程——使一個(gè)振子的能量具有大于或小于的時(shí)間平均值，那末，它同自由電子和分子的碰撞將導(dǎo)致氣體得到或喪失平均不等于零的能量。因此，在我們所考察的狀況中，只有當(dāng)每一個(gè)振子都具有平均能量時(shí)，動(dòng)態(tài)平衡才有可能。這里ν的一個(gè)振子〔每一個(gè)振動(dòng)重量〕的平均能量，c這里ν的一個(gè)振子〔每一個(gè)振動(dòng)重量〕的平均能量，c是光速，ν是頻率，而ν和ν和ν必定成立。作為動(dòng)態(tài)平衡的條件而找到的這個(gè)關(guān)系，不但不符合閱歷，而且它還說明，在我們的圖象中，根本不行能談到以太和物質(zhì)之間有什么確定的能量分布。由于振子的振動(dòng)數(shù)范圍選得愈廣，空間中輻射能就會(huì)變得愈大，而在極限狀況下我們得到：§2．關(guān)于普朗克對(duì)根本常數(shù)確實(shí)定的。的普朗克公式是：迄今為止，全部閱歷都能滿足的關(guān)于的普朗克公式是：對(duì)于大的值，即對(duì)于大的波長和輻射密度，這個(gè)公式在極限狀況下變成下面的形式：其中，對(duì)于大的值，即對(duì)于大的波長和輻射密度，這個(gè)公式在極限狀況下變成下面的形式：人們看到，這個(gè)公式是同§l得到：或者這就是說，一個(gè)氫原子重克這就是說，一個(gè)氫原子重克克。這正好是普朗克先生所求得的數(shù)值，它同用其他方法求得的我們因此得出結(jié)論：輻射的能量密度和波長愈大，我們所用的理論根底就愈顯得適用；但是，對(duì)于小的波長的小的輻射密度，我們的理論根底就完全不適用了。方程=移出一個(gè)電子所需的能量+被放射的電子的動(dòng)能代數(shù)形式：其中h是普朗克常數(shù)，ν是入射光子的頻率，是功函數(shù)，從原子鍵結(jié)中移出一個(gè)電子所需的最小能量，是被射出的電子的最大動(dòng)能，ν0是光電效應(yīng)發(fā)生的閾值頻率，m是被放射電子的靜止質(zhì)量，vm是被放射電：假設(shè)光子的能量〕不大于功函數(shù)?，就不會(huì)有電子射出。功函數(shù)有時(shí)又以W標(biāo)記。這個(gè)方程與觀看不符時(shí)〔即沒有射出電子或電子動(dòng)能小于預(yù)期，可能是由于某些能量以熱能或輻射的形式散失了。效應(yīng)(一)反常光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)一般光生電壓不會(huì)超過Vg=Eg/e,但某些薄膜型半導(dǎo)體被強(qiáng)白光照耀會(huì)消滅比Vg〔5000V的光生電壓〕70年月又覺察光鐵電體的反常光生伏特效應(yīng)〔APV〕可產(chǎn)生1000V100000V的電壓，且只消滅在晶體自發(fā)極化方向上，光生電壓：V=(Jc/(σD+△σl))l(二)貝克勒爾效應(yīng)：將兩個(gè)同樣的電極浸在電解液中，其中一個(gè)被光照耀，則在兩電極間產(chǎn)生電位差，稱為貝克勒爾效應(yīng)?！灿锌赡芊抡展夂献饔弥瞥筛咝实奶柲茈姵亍?三)光子牽引效應(yīng)：當(dāng)一束光子能量缺乏以引起電子-空穴產(chǎn)生的激光照耀在樣本上，可在光束方向上于樣本兩端建立電勢差VL，其大小與光功率成正比，稱為光子牽引效應(yīng)。(四)俄歇效應(yīng)〔1925年法國人俄歇〕用高能光子或電子從原子內(nèi)層打出電子，同時(shí)產(chǎn)生確定能量的電子〔俄歇電子的現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。應(yīng)用：俄歇電子能譜儀用于外表分析，可區(qū)分不同分子的“指紋”。(五)光電流效應(yīng)〔1927年潘寧〕放電管兩級(jí)間有光致電壓〔電流〕變化稱為光電流效應(yīng)。：低壓氣體可以放電〔100Pa的惰性氣體〕：空間電荷效應(yīng)與輝光放電：7個(gè)不同的區(qū)域：1：阿斯頓暗區(qū)：靠近陰極很薄的一層暗區(qū)。緣由：從陰極由正離子轟擊出的二次電子動(dòng)能很小，缺乏以激發(fā)原子發(fā)光。2：陰極輝區(qū)：繼阿斯頓暗區(qū)后很薄的發(fā)光層。3：陰極暗區(qū)：電子從陰極到達(dá)該區(qū)，獲能量越來越大，超過原子電離能，引起大量碰撞電離，雪崩電離過程集中發(fā)生在這里。產(chǎn)生電離后電子很快離開，這里形成了很強(qiáng)的正空間電荷，引起電場分布畸變，管壓大局部降在此處和陰極間以上三區(qū)為陰極位降區(qū)。4：負(fù)輝區(qū)：是發(fā)光最強(qiáng)的區(qū)域。電子在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生很多激發(fā)碰撞發(fā)出光明的輝光。5：法拉第暗區(qū)：電子在負(fù)輝區(qū)損失能量，進(jìn)入此區(qū)無足夠的能量產(chǎn)生激發(fā)。6：正柱區(qū)：在此區(qū)電子密度與正離子密度相等，凈空間電荷為零，因此又稱等離子區(qū)。7：陽極區(qū)：可看到陽極暗區(qū)和陽極輝區(qū)。應(yīng)用：氣體放電器件，如氣體放電燈〔熒光燈、霓虹燈、原子光譜燈、氖泡、穩(wěn)壓管、冷陰極閘流管等。激光器中用正柱區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，粒子束裝置中冷陰極離子源，半導(dǎo)體工藝中等離子體刻蝕，薄膜濺射沉積，等離子體化學(xué)沉積等。光電流效應(yīng)機(jī)理：亞穩(wěn)態(tài)〔壽命約10^(-4)s到10^(-2)s〕原子較中性原子易于電離，多產(chǎn)生一些激發(fā)原子，尤其是亞穩(wěn)態(tài)原子，可能轉(zhuǎn)變放電管中載流子濃度。光電流光譜技術(shù)應(yīng)用：光電流光譜無需常規(guī)光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，從紫外、可見、紅外到微波都可產(chǎn)生光電流效應(yīng)。8個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度高、噪聲小，是一種超靈敏的光譜技術(shù)〔1976年格林等用激光證明光電流光譜〕焦希效應(yīng)：當(dāng)用可見光連續(xù)輻照以空氣或絕緣氣體為介質(zhì)的氣體電容器時(shí)，流經(jīng)電容器的低頻電流將發(fā)生變化，稱為焦希效應(yīng)。馬爾特效應(yīng)：當(dāng)放電管陰極外表有金屬氧化膜，正離子轟擊外表時(shí)，二次電子放射作用增加，稱為馬爾特效應(yīng)。爭論歷史光電效應(yīng)首先由德國物理學(xué)家海因里?！ず掌澯?887年覺察，對(duì)進(jìn)展量子理論及提出波粒二象性的設(shè)想起到了根本性的作用。菲利普·萊納德用試驗(yàn)覺察了光電效應(yīng)的重要規(guī)律。阿爾伯特·愛因斯坦則提出了正確的理論機(jī)制。十九世紀(jì)9年，年僅十九歲的亞歷山大·貝克勒爾〔el，在幫助父親爭論將光波照耀到電解池〔electrolyticcell〕所產(chǎn)生的效應(yīng)時(shí)，覺察了光生伏打效應(yīng)。雖然這不是光學(xué)效應(yīng)，但對(duì)于提醒物質(zhì)的電性質(zhì)與光波之間的親熱關(guān)系有很大的作用。威勒畢·史密斯〔WilloughbySmith〕于1873年在進(jìn)展與水下電纜相關(guān)的一項(xiàng)任務(wù)，測試硒圓柱高電阻性質(zhì)時(shí)，覺察其具有光電導(dǎo)性，即照耀光束于硒圓柱會(huì)促使其電導(dǎo)增加。海因里?！ず掌?887年，德國物理學(xué)者海因里?！ず掌澴鲈囼?yàn)觀看到光電效應(yīng)、電磁波的放射與接收。在赫茲的放射器里有一個(gè)火花間隙〔k，可以借著制造火花來生成與放射電磁波。在接收器里有一個(gè)線圈與一個(gè)火花間隙，每當(dāng)線圈偵測到電磁波，火花間隙就會(huì)消滅火花。由于火花不很光明，為了更簡潔觀看到火花，他將整個(gè)接收器置入一個(gè)不透亮的盒子內(nèi)。他留意到最大火花長度因此減小。為了理清緣由，他將盒子一局部一局部拆掉，覺察位于接收器火花與放射器火花之間的不透亮板造成了這屏蔽現(xiàn)象。假設(shè)改用玻璃來分隔，也會(huì)造成這屏蔽現(xiàn)象，而石英則不會(huì)。經(jīng)過用石英棱鏡依據(jù)波長將光波分解，認(rèn)真分析每個(gè)波長的光波所表現(xiàn)出的屏蔽行為，他覺察是紫外線造成了光電效應(yīng)。赫茲將這些試驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于《物理年鑒·霍爾伐克士〔m里吉o史托勒托夫r〕等等。他們進(jìn)展了一系列關(guān)于光波對(duì)于帶電物體所產(chǎn)生效應(yīng)的爭論調(diào)查，特別是紫外線。這些爭論調(diào)查證明，剛剛清潔干凈的鋅金屬外表，假設(shè)帶有負(fù)電荷，不管數(shù)量有多少，當(dāng)被紫外線照耀時(shí)，會(huì)快速地失去這負(fù)電荷；假設(shè)電中性的鋅金屬被紫外線照耀，則會(huì)很快地變?yōu)閹в姓姾?，而電子?huì)逃逸到金屬四周的氣體中，假設(shè)吹拂強(qiáng)風(fēng)于金屬，則可以大幅度增加帶有的正電荷數(shù)量。約翰艾斯特n〕蓋特爾s，首先進(jìn)展出第一個(gè)有用的光電真空管，能夠用來量度輻照度。艾斯特和蓋特爾將其用于爭論光波照耀到帶電物體產(chǎn)生的效應(yīng)，獲得了巨大成果。他們將各種金屬依光電效應(yīng)放電力量從大到小挨次排列：銣、鉀、鈉鉀合金、鈉、鋰、鎂、鉈、鋅。對(duì)于銅、鉑、鉛、鐵、鎘、碳、汞，·具正電性的金屬給出的光電效應(yīng)越大。湯姆孫量度粒子荷質(zhì)比的光電效應(yīng)試驗(yàn)裝置。當(dāng)時(shí)爭論“赫茲效應(yīng)”的各種試驗(yàn)還伴隨著“光電疲乏”的現(xiàn)象，讓爭論變得更加簡單。光電疲乏指的是從干凈金屬外表觀看到的光電效應(yīng)漸漸衰微的現(xiàn)象。依據(jù)霍爾伐克士的爭論結(jié)果，在這現(xiàn)象里，臭氧扮演了很重要的角色?？墒?，其它因素，例如氧化、濕度、拋光模式等等，都必需納入考量。1888至1891年間，史托勒托夫完成了很多關(guān)于光電效應(yīng)的試驗(yàn)與分析。他設(shè)計(jì)出一套試驗(yàn)裝置，特別適合于定量分析光電效應(yīng)。借助此試驗(yàn)裝置，他覺察了輻照度與感應(yīng)光電流的直接比例。另外，史托勒托夫和里吉還共同爭論了光電流與氣壓之間的關(guān)系，他們覺察氣壓越低，光電流變?cè)酱?，直到最?yōu)氣壓為止；低于這最優(yōu)氣壓，則氣壓越低，光電流變?cè)叫?。約瑟夫·1897430日在大不列顛皇家爭論院〔RoyalInstitutionofGreatBritain〕的演講中表示，的粒子。因此，他主見陰極射線是由帶負(fù)電荷的粒子組成，后來稱為電子。此后不久，通過觀看陰極射線因電場與1899年，他用紫外線照耀鋅金屬，又測得放射粒子的荷質(zhì)比為7.3×10emu/g7.8×10emu/g大致符合。他因此正確推斷這兩種粒子是同一種粒子，即電子。他還測出這粒子所載有的負(fù)電荷。從這兩個(gè)數(shù)據(jù)，他成功計(jì)算出了電子的質(zhì)量：大約是氫離子質(zhì)量的千分之一。電子是當(dāng)時(shí)所知質(zhì)量最小的粒子。二十世紀(jì)匈牙利物理學(xué)家萊納德菲利普·萊納德于1900年覺察紫外線會(huì)促使氣體發(fā)生電離作用1902年，萊納德又公布了幾個(gè)關(guān)于光電效應(yīng)的重要試驗(yàn)結(jié)果。第一，借著變化紫外光源與陰極之間的距離，他覺察，從陰極放射的光電子數(shù)量每單位時(shí)間與入射的輻照度成正比。其次，使用不同的物質(zhì)為陰極材料，可以顯示出，每一種物質(zhì)所放射出的光電子都有其特定的最大動(dòng)能〔最大速度，換句話說，光電子的最大動(dòng)能于光波的光譜組成有關(guān)。第三，借著調(diào)整陰極與陽極之間的電壓差，他觀看到，光電子的最大動(dòng)能與截止電壓成正比，與輻照度無關(guān)。由于光電子的最大速度與輻照度無關(guān)，萊納德認(rèn)為，光波并沒有賜予這些電子任何能量，這些電子原來就已擁有這能量，光波扮演的角色似乎觸發(fā)器，一觸即發(fā)地選擇與釋出束縛于原子里的電子，這就是萊納德著名的“觸發(fā)假說”〔g。在那時(shí)期，學(xué)術(shù)界廣泛承受觸發(fā)假說為光電效應(yīng)的機(jī)制?？墒?，這假說患病到一些嚴(yán)峻問題，例如，假設(shè)電子原來在原子里就已擁有了逃逸束縛與放射之后的動(dòng)能，那么，將陰極加熱應(yīng)當(dāng)會(huì)賜予更大的動(dòng)能，但是物理學(xué)者做試驗(yàn)并沒有測量到任何不同結(jié)果。英姿煥發(fā)的愛因斯坦在1905年〔愛因斯坦奇跡年〕發(fā)表了六篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文。1905年，愛因斯坦發(fā)表論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)摸干脆觀點(diǎn)·普朗克從前在爭論黑體輻射中所覺察的普朗克關(guān)系式，愛因斯坦給出另一種詮釋：頻率為的光子擁有的能量為；其中，因子是普朗克常數(shù)。愛因斯坦認(rèn)為，組成光束的每一個(gè)量子所擁有的能量等于頻率乘以普朗克常數(shù)。假設(shè)光子的頻率大于某極限頻率，則這光子擁有足夠能量來使得一個(gè)電子逃逸，造成光電效應(yīng)。愛因斯坦的論述解釋了為什么光電子的能量只與頻率有關(guān)，而與輻照度無關(guān)。雖然光束的輻照度很微弱，只要頻率足夠高，必會(huì)產(chǎn)生一些高能量光子來促使束縛電子逃逸。盡管光束的輻照度很強(qiáng)勁，假設(shè)頻率低于極限頻率，則照舊無法給出任何高能量光子來促使束縛電子逃逸。愛因斯坦的論述極具想像力與說服力，但卻患病到學(xué)術(shù)界猛烈的抗拒，這是由于它與詹姆斯·麥克斯韋所表述，而且經(jīng)過嚴(yán)格理論檢驗(yàn)、通過周密試驗(yàn)證明的光的波動(dòng)理論相互沖突，它無法解釋光波的折射性與相干性，更一般而言，它與物理系統(tǒng)的能量“無窮可分性假說”相互沖突。甚至在試驗(yàn)證明愛因斯坦的光電效應(yīng)方程正確無誤之后，猛烈抗拒照舊連續(xù)多年。愛因斯坦的覺察開啟了的量子物理的大門，愛因斯坦由于“對(duì)理論物理學(xué)的成就，特別是光電效應(yīng)定律的覺察”1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。壓，P是逸出功，PD是電勢差〔potentialdifference)。愛因斯坦的論文很快地引起美國物理學(xué)者羅伯特·花費(fèi)很多時(shí)間做試驗(yàn)爭論光電效應(yīng)。他覺察，增加陰極的溫度，光電子最大能量不會(huì)跟著增加。他又證明光電疲乏1916年，他證明白愛因斯坦的理論正確無誤，并且應(yīng)用光電效應(yīng)直接計(jì)算出普朗克常數(shù)。密立根由于“關(guān)于根本電荷以及光電效應(yīng)的工作”1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。依據(jù)波粒二象性，光電效應(yīng)也可以用波動(dòng)概念來分析，完全不需用到光子概念。威利斯·蘭姆與馬蘭·斯考立〔MarlanScully〕1969年證明這理論。試驗(yàn)驗(yàn)證1887，一套產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套作為接收器。他意外覺察，假設(shè)接收電磁波的電極受到紫外線的照耀，火花放電就變得簡潔產(chǎn)生。赫茲的論文《紫外線對(duì)放電的影響》發(fā)表后，引起物理學(xué)界廣泛的留意，很多物理學(xué)家進(jìn)展了進(jìn)一步的試驗(yàn)爭論。1888年，德國物理學(xué)家霍爾瓦克斯〔WilhelmHallwachs〕證明，這是由于在放電間隙內(nèi)消滅了荷電體的原因。光電效應(yīng)1899年，J.J.湯姆孫用奇異的方法測得產(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〔特別是紫外光〕照耀到金屬外表使金屬內(nèi)部的自由電子獲得更大的動(dòng)能，因而從金屬外表逃逸出來的一種現(xiàn)象。光電效應(yīng)1899—1902年，勒納德〔P.Lenard，1862—1947〕“光電效應(yīng)”。為了爭論光電子從金屬外表逸出時(shí)所具有的能量，勒納德在電極間加一可調(diào)整反向電壓，直到使光電流截對(duì)反向電壓的截止值進(jìn)展了爭論，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的一些試驗(yàn)規(guī)律。依據(jù)動(dòng)能定理：qU=mv^2/2，可計(jì)算動(dòng)身射出電子的能量?？傻贸觯篽f=(1/2)mv^2+I+W1902年提出觸發(fā)假說，假設(shè)在電子的放射過程中，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)，光照耀到原子上，只要光的頻率與電子本身的振動(dòng)頻率全都，就發(fā)生共振，電子就以其自身的速度從原子內(nèi)部逸出。勒納德認(rèn)為，原子里電子的振動(dòng)頻率是特定的，只有頻率適宜的光才能起觸發(fā)作用。勒納德的假說在當(dāng)時(shí)很有影響，被一些物理學(xué)家承受。但是，不久，勒納德的觸發(fā)假說被他自己的試驗(yàn)否認(rèn)。愛因斯坦用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)提出理論解釋后，最初科學(xué)界的反響是冷淡的，甚至信任量子概念的一些物理學(xué)家也不承受光量子假說。盡治理論與已有的試驗(yàn)事實(shí)并不沖突，但當(dāng)時(shí)還沒有充分的試驗(yàn)來支持愛因斯坦光電1916年，光電效應(yīng)的定量試驗(yàn)爭論才由美國物理學(xué)家密立根完成。密立根對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)展了長期的爭論，經(jīng)過十年之久的試驗(yàn)、改進(jìn)和學(xué)習(xí)，有效地排解了外表接觸電位差等因素的影響，獲得了比較好的單色光。他的試驗(yàn)格外精彩，于1914年第一次用試驗(yàn)驗(yàn)證了愛因斯坦方程是準(zhǔn)確成立的，并首次對(duì)普朗克常數(shù)h作了直接的光電測量，準(zhǔn)確度大約是0.5%(在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi))。1916年密立根發(fā)表了他的準(zhǔn)確試驗(yàn)結(jié)果，他用6線的斜率可以求出的普朗克常數(shù)。結(jié)果與普朗克1900年從黑體輻射得到的數(shù)值符合得很好。覺察規(guī)律通過大量的試驗(yàn)總結(jié)出光電效應(yīng)具有如下試驗(yàn)規(guī)律：每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)都存在一極限頻率〔或稱截止頻率〔或稱紅限波長光電效應(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)。。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)間單位面積內(nèi)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，即肯定顏色的光，入射光越強(qiáng)，肯定時(shí)間內(nèi)放射的電子數(shù)目越多。應(yīng)用領(lǐng)域制造光電倍增管算式與觀看不符時(shí)〔即沒有射出電子或電子動(dòng)能小于預(yù)期熱能或輻射而失去了。光掌握電器光伏掌握器利用光電管制成的光掌握電器，可以用于自動(dòng)掌握，如自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等等，右上圖是光控繼M磁化，而把銜鐵N吸住，當(dāng)光電管上沒有光照時(shí)，光電管電路中沒有電流，電磁鐵M就自動(dòng)掌握，利用光電效應(yīng)還可測量一些轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)速。光伏掌握器光電倍增管利用光電效應(yīng)還可以制造多種光電器件，如光電倍增管、電視攝像管、光電管、電光度計(jì)等，這里介紹一下光K和一個(gè)陽極AK1.K2.K3.K4.K5等。使用時(shí)不但要在陰極和陽極之間加上電壓，各倍增電極也要加上電壓，使陰極電勢最低，各個(gè)倍增電極的電勢依次上升，陽極電勢最高，這樣，相鄰兩個(gè)電極之間都有加速電場，當(dāng)陰極受到光的照耀時(shí)，就放射光電子，并在加速電場的作用下，以較大的動(dòng)能撞擊到第一個(gè)倍增電極上，光電子能從這個(gè)倍增電極上激發(fā)出較多的電子，這些電子在電場的作用下，又撞擊到其次個(gè)倍增電極上，從而激發(fā)出更多的電子，這樣，激發(fā)出的電子數(shù)不斷增加，最終后陽極收集到的電子數(shù)將比最初從陰極放射的電子數(shù)增加了很多倍〔一般為105～108倍。因而，這種管子只要受到很微弱的光照，就能產(chǎn)生很大電流，它在工程、天文、軍事等方面都有重要的作用。農(nóng)業(yè)病蟲害防治農(nóng)業(yè)蟲害的治理需要依據(jù)為害昆蟲的特性提出與環(huán)境適宜、生態(tài)兼容的技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)。為害昆蟲表現(xiàn)了呈現(xiàn)誕生物光電效應(yīng)的作用本質(zhì)。利用昆蟲的這種趨性行為誘導(dǎo)增益特性，一些光電誘導(dǎo)殺蟲燈技術(shù)以及害蟲誘導(dǎo)捕集技術(shù)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)蟲害的防治，具有良好的應(yīng)用前景。定律影響斯韋電磁理論的一個(gè)重要證據(jù)。這一理論還為波爾的原子理論和德布羅意物質(zhì)波理論奠定了根底。密立根的定量試驗(yàn)爭論不僅從試驗(yàn)角度為光量子理論進(jìn)展了證明，同時(shí)也為波爾原子理論供給了證據(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明白光量子理論而獲得了試驗(yàn)支持，從而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1923年，密立根“因測量根本電荷和爭論光電效應(yīng)”獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。沖突光電效應(yīng)在光電效應(yīng)中，要釋放光電子明顯需要光電效應(yīng)有足夠的能量。依據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量打算于它的強(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)。而試驗(yàn)規(guī)律中的第一、其次兩點(diǎn)明顯用經(jīng)典理論無法解釋。第三條也不能解釋，由于依據(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，必需有一個(gè)能量積存的過程而不行能瞬時(shí)產(chǎn)生光電子。但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。全部這些實(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)必需突破經(jīng)典理論。分類光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。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。外光電效應(yīng)是被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)外表，形成真空中的電子的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體外表對(duì)外放射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)的一些試驗(yàn)規(guī)律僅當(dāng)照耀物體的光頻率不小于某個(gè)確定值時(shí)，物體才能發(fā)出光電子，這個(gè)頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，λ0叫做極限波長。不同物質(zhì)的極限頻率和相應(yīng)的極限波長λ0是不同的。一些金屬的極限波長(單位：埃)：銫銫鈉鋅銀鉑65205400372026001960光電子脫出物體時(shí)的初速度和照耀光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無關(guān)。這就是說，光電子的初動(dòng)能只和照耀光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無關(guān)。在光的頻率不變的狀況下，入射光越強(qiáng)，一樣的時(shí)間內(nèi)陰極(放射光電子的金屬材料)放射的光電子數(shù)目越多d．從試驗(yàn)知道，產(chǎn)生光電流的過程格外快，一般不超過10的-9次方秒；停頓用光照耀，光電流也就馬上停頓。這說明，光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。e．愛因斯坦方程：hν=(1/2)mv^2+I+W式中(1/2)mv^2是脫出物體的光電子的初動(dòng)能。金屬內(nèi)部有大量的自由電子，這是金屬的特征，因而對(duì)于金屬來說，I項(xiàng)可以略去，愛因斯坦方程成為hυ=(1/2)mv^2+W假設(shè)hυ<W,電子就不能脫出金屬的外表。對(duì)于肯定的金屬，產(chǎn)生光電效應(yīng)的最小光頻率(極限頻率)u0。由hυ0=W確定。相應(yīng)的極限波長為λ0=C/υ0=hc/W。發(fā)光強(qiáng)度增加使照耀到物體上的光子的數(shù)量增加，因而放射的光電子數(shù)和照耀光的強(qiáng)度成正比。算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應(yīng)時(shí)使用以下算式：光子能量=移出一個(gè)電子所需的能量+被放射的電子的動(dòng)能代數(shù)形式：hf=φ+Emφ=hf0Em=(1/2)mv^2其中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10^-34J·s，f是入射光子的頻率，φ是功函數(shù)，從原子鍵結(jié)中移出一個(gè)電子所需的最小能量，f0是光電效應(yīng)發(fā)生的閥值頻率，Em是被射出的電子的最大動(dòng)能，m是被放射電子的v是被放射電子的速度注：假設(shè)光子的能量〕不大于功函數(shù)，就不會(huì)有電子射出。功函數(shù)有時(shí)又以W標(biāo)記。這個(gè)算式與觀看不符時(shí)〔即沒有射出電子或電子動(dòng)能小于預(yù)期。愛因斯坦因成功解釋了光電效應(yīng)而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?；谕夤怆娦?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。內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)〔光伏效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，電子吸取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)光照耀到光電導(dǎo)體上時(shí)，假設(shè)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。光生伏特效應(yīng)“光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子〔光波〕轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，假設(shè)兩者之間連通，就會(huì)形成電流的回路。光伏發(fā)電，其根本原理就是“光伏效應(yīng)”。太陽能專家的任務(wù)就是要完成制造電壓的工作。由于要制造電壓，所以完成光電轉(zhuǎn)化的太陽能電池是陽光發(fā)電的關(guān)鍵。簡潔來說就是在光作用下能使物體產(chǎn)生肯定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。①勢壘效應(yīng)〔結(jié)光電效應(yīng)〕光照耀PN結(jié)時(shí)，假