光电效应及其应用

摘要 (1)

Abstract (1)

1光电效应的概念 (1)

1.1光电导效应 (2)

1.2光生伏特效应 (2)

2光电效应的实验规律 (2)

3光电效应和经典理论的矛盾处 (3)

4光电效应的科学解释 (3)

5光电效应的物理意义 (3)

6光电效应在近代技术中的应用 (4)

6.1常用的光电器件 (4)

6.2常用光电器件的检测 (5)

结语 (6)

参考文献 (6)

光电效应及其应用

摘要：本文介绍了光电效应的发现及发展，简要叙述了爱因斯坦的光量子假说对光电效应的解释及通过实验来验证了爱因斯坦的光量子假说对光电效应解释的正确性。并介绍了光电效应在现代科学技术中的应用。

关键词：光电效应；光量子；频率；相对论

The photoelectric effect and its application Absract: This passage introduce the discovery and development of photo-electric effect, it brief in troduce Ein ste in's light qua nta hypothesis's con tribute to expla ining photo-electric effect and theory physics，it also introduce the application of photo-electric effect in moder n scie ntific tech no logy.

Key words : Photoelectric effect; Light quantum ；Frequency; Theory of Relativity

引言

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。

光照射到某些物质上，有电子从物质表面发射出来的现象称之为光电效

应(Photoelectric effect )。这一现象最早是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。之后霍尔瓦克斯、JJ汤姆孙、勒纳德分别对这种现

象进行了系统研究，命名为光电效应，并得出一些实验规律。1905年，爱因

斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实

验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论，使其逐渐地被人

们所接受。

1光电效应的概念

光电效应分为：外光电效应和内光电效应。光电效应中多数金属中的光电子

只能从靠近金属表面内的浅层(小于m)逸出，不能从金属内深层逸出的结论。

光波能量进入金属表面后不到1 m的距离就基本被吸收完了⑴。

外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现

象。内光电效应是被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴)仍在物质内部运

动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。分为光电导效应和光生伏特效应。

1.1光电导效应

在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

1.2光生伏特效应

在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象如图1。基于该效应的器件

有光电池和光敏二极管、三极管。基于外光电效应的电子元件有光电管、光电

倍增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电

子线路去，记录下来。

2光电效应的实验规律

(1) 每一种金属在产生光电效应是都存在极限频率(或称截止频率) ，即照射

光的频率不能低于某一临界值。只有当光的频率大于一定值时，才有光电子发射出来；如果入射光的频率低于极限频率时，不论光的强度多大，照射时间多长，都无法使电子逸出［2］。

(2) 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。

⑶光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无

论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过10 9s。

⑷入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的

光电子数目。在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多⑻

* . 乌

图

1

3光电效应和经典理论的矛盾处

在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。根据经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电

磁波的频率无关。而实验规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。所有这些实际上已经

曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。

4光电效应的科学解释

爱因斯坦为了解释光电效应，在1905年发表了题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，该文提出了光量子-光子假说,其内容是：当光束在和物质相互作用时，其能流并不像波动理论所想象的那样连续分布，而是集中在一些叫做光子（或光量子）的粒子上。当光束照射在金属上时，光子一个个地打在它的表面。金属中的电子要么吸收一个光子，要么完全不吸收［4］。而光子的能量E正比于其频率，即

h ⑴

光电效应满足爱因斯坦方程

h 1/2mv。2（2）

是金属的脱出功（或其中h为普朗克常数、v o是光电子逸出金属表面的速度、称功函

数）。

5光电效应的物理意义

光电效应现象是赫兹在做验证麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时偶然

发现的，而这一现象却成了突破麦克斯韦电磁理论的一个重要证据。

爱因斯坦在研究光电效应时给出的光量子解释不仅推广了普朗克的量子理

论，证明波粒二象性不只是能量才具有，光辐射本身也是量子化的，同时为唯物辩证法的对立统一规律提供了自然科学证据，具有不可估量的哲学意义。这一理论还为波尔的原子理论和德布罗意物质波理论奠定了基础。

密立根的定量实验研究不仅从实验角度为光量子理论进行了证明，同时也为波尔原子理论提供了证据。

1921年，爱因斯坦因建立光量子理论并成功解释了光电效应而获得诺贝尔物理学奖。