光电效应的实验及理论研究

光电效应的实验及理论

研究

集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]

JISHOU UNIVERSITY

本科生毕业论文题目：光电效应理论及实验探讨

作者：杨麟

学号：

所属学院：物理与机电工程学院

专业年级：2012级应用物理专业

指导教师：邬云雯职称：教授

完成时间：2016年4月27日

吉首大学教务处制

光电效应的理论及实验探讨

杨麟

（吉首大学物理与机电工程，湖南吉首 416000）

摘要：为了更加深入的探索“光与电之间的相互转换”这一未来的热门领域，分析了光电效应产生的基本原理和实验规律，并用实验加以验证，为以后进一步的研究打下了基础。

关键词：光电效应；光电子；频率；遏止电压

Theoretical and Experimental Investigation

of the photoelectric effect

Yanglin

(College of Physics, Mechanical and Electrical Engineering, Jishou

University,Jishou,Hunan 416000)

Abstract: For more in-depth exploration of "mutual conversion between light and electricity," the next hot area, analyzes the basic principles and laws of the photoelectric effect experiment generated and verified by experiment, for further research laid the foundation for later. Keywords: the photoelectric effect ; Optoelectronics ; frequency ; Curb voltage

引言

光电效应是指光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化的这一类现象的总和。由物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。自20世纪70年代以来，随着社会的发展和科技创新，越来越多的人把焦点集中在对光能和电能的运用，由于光电效应能实现光能和电能之间的转换，因此也有了越来越多了的应用。特别是近30年，光电效应更是广泛的应用于工业和军事领域，已经成为人类文明发展不可缺失的一部分！本文较为详细的介绍了光电效应的理论知识及发展历史，并设计实验加以验证。1.光电效应的理论探讨

1.1光电效的含义

在物理学中，光电效应是一个重要而神奇的现象。物质在高于某特定频率的光波照射下，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。其中光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种发生在物体表面，使物体内的电子逸出物体表面，称为外光电效应。后两种发生在物内部，使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差或引起材料电导率的变化，称为内光电效应。

1.2光电效应的理论发展和研究历史

德国物理学家赫兹在1887年用莱顿瓶做放电实验观察到了光电效应和电磁波的发射与接收,正是这个实验中赫兹注意到当紫外光照射在火花隙的负极上,放电就比较容易发生。赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。

1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出

现了荷电体的缘故。

1899年，J.J.汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。

1899—1902年，勒纳德（P.Lenard，1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总

mv2,可以计算出发射电子的能量。由此结出了光电效应的一些实验规律。根据动能定理：eU=1

2

mv2+I+W

可以得出：hf=1

2

深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象，但也不能完全合理。勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。

直到1905年，爱因斯坦把普朗克量子化观点进一步研究和推广，由此提出了光量子即光子概念,爱因斯坦认为,光在空间的传播正象粒子那样运动,并把组成光束的粒子称为光子，光子的能量并不是连续分布的函数，射向金属表面的光，实质上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射的光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当它照射到金属表面时，这一光子就被电子吸收了，它所增加的能量ε=hν仍然不足以让电子脱离金属表面（即ε=hν要小于电子的逸出功），电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。此时逸出电子的、和逸出功之间的关系可表示为：

Εk(max)=hν- W0

这就是爱因斯坦光电效应方程。

其中hν为入射光子能量，由频率决定。Εk(max)为光电子的最大初动能，W0 金属的逸出功。爱因斯坦的这一理论成功的解析了光电效应。

1.3光电效应实验规律

经过许多科学家的一系列的实验，得出光电效应实验规律如下: