光电效应及其应用论文

光电效应及其应用

机电工程学院 机制B124班 李攀峰

201202024414

摘要；本文介绍了光电效应的发现及发展，着重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求出了普朗克常数。

关键词；光电效应；阴极；光量子；运动定律；相对论

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。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

1.爱因斯坦对光电效应的理论解释

光电效应使经典电磁波理论陷入困境，给物理学的晴朗天空又增加了一朵乌云，这一事实激励着年青的爱因斯坦（A.Einstein ，德，1879－1955）他苦苦地思索着，正在这个时候，理论物理学家普朗克（M.Planck,德1858一1947）发表了能量子的假设，成功地解决了黑体辐射的问题，爱因斯坦对晋朗克的能量子假设进行了研究后，把量子论彻底贯彻到辐射和吸收过程中去提出了崭新的光量子的假设，从而解决了光电效应问题。

1.1爱因斯坦的光量子假说

1.1.1 爱因斯坦光量子假说：光子论

假设：一束光是一粒一粒以速度c 运动的粒子流，这些粒子称光子，但它们仍保留频率、波长的概念认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性。

一个频率为ν的光子具有能量νεh =，其中h 为普朗克常数，值为

s J h ⋅⨯=-341063.6

由相对论知识可知：λ

ννν

ϕ/////22h c h c E P c h c E m h E ====== （2-1）

可见：光子即具有粒子特性m ϕ 、P ，又具有波动性λ、ν我们将这种波动性和粒子性并存的性质称为光的波粒二象性。光的波动性（λ）和粒子性（p ）是通过普朗克常数联系在一起的。 由能量守恒定律得：A h mV -=ν202

1 ( A 为逸出功)该式称为爱因斯坦光电效应方程。 1.2.1 用光量子假说解释光电效应

（1）由 A h mV -=ν202

1可看出，光子的初动能与光的频率成正比，而与光强无关。 （2）当入射光子的能量小于逸出功时，光电子的初动能为零，不能逸出；只有当h ν>A 时，才能产生光电效应。截止频率ν=A/h.

（3） 光的强弱只表明光子数的多少，而光子的能量恒定。一个光子的能量是一次地被电子吸收，所以，只要h ν>A ，电子吸收光子即逸出，具有瞬时性。

2. 光电效应在近代技术中的应用

我们把将光信号（或光能）转变成电信号（或电能）的器件叫光电器件。现已有光敏管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏组件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器、光电池等光电器件。这些器件已被广泛应用于生产、生活、军事等领域。下面着重介绍几种光电器件的应用及其检测方法。

2.1常用的光电器件

2.1.1光敏管

光敏管包括光电管、光电倍增管和象管三类。光电管和光电倍增管都是辐射光的接收器件，完成光信号转变电信号的功能。光电管广泛应用于光电自动装置，传真电报、电影放映机、录音机等设备中。光电倍增管应用于电影放映机的还声系统中。象管应用于摄象机中。

2.1.2光敏电阻器

光敏电阻器是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的电子元件。当某种物质受到光的照射时，载流子浓度增加，从而增加了电导率，这就是光电导效应。这种附加的电导叫光电导。根据光敏电阻器的光谱特性，光敏电阻器可分为：（1）紫外光敏电阻器，用于探测紫外线；（2）可见光敏电阻器，主要用于自动控制、光电跟踪以及照相机的自动暴光等场合；

（3）红外光敏电阻器，主要用于导弹制导、光报警装置、人体病变探测、红外通信等工作中。

2.1.3 光敏二极管、三极管

硅光敏管有硅光敏二极管、硅光敏三极管两类。硅光敏管的基本结构是PN结，当硅光敏二极管不受光照时，通过PN结的仅是由环境温度产生的微小暗电流及加反向偏压所产生的漏电流；只有受到光照时，光的能量变成电能，才产生光电流。光敏三极管则是光信号从基极输入，且可以通过调节偏置来得到所需要的工作状态和放大特性。

2.1.4光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介、用来传输电信号的器件。通常是把发光器（可见光LED或红外光LED）与受光器（光电半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收光照后就产生光电流，由输出端引出，从而实现了“电-光-电”的转换。光电耦合器主要应用于稳压电源、光电开关、限幅器及各种逻辑电路中。用以代替继电器等装置。

2.1.5太阳能电池

硅太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的一种半导体器件。硅光电池等效于一个PN结，在光照条件下PN结两端能产生电动势。接上负载后就形成电流。硅太阳能电源系统利用的是取之不尽的——太阳能。硅光电池能组成太阳能手表、太阳能计算器。另外它已被广泛应用于人造卫星、通信系统、电视机、收录机、照明等其它领域。

结语；光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。同时光电效应可以把光信号转变为电信号，动作迅速灵敏，因此利用光电效应制作的光电器件在工农业生产、科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用。

参考文献

[1]尤广建；＜爱因斯坦是怎样创建相对论的＞［Ｍ］；湖南；湖南教育出版社；１９９３；

[3]薛家凤；＜诺贝尔物理学奖百年回顾＞［Ｍ］；北京；国防工业出版社；２００３；

[4]井孝功；＜量子力学＞［Ｍ］；哈尔滨；哈尔滨工业大学出版社；２００４；

[5]孝功；＜量子力学＞［Ｍ］；哈尔滨；哈尔滨工业大学出版社；２００４；

[6]薛家凤；＜诺贝尔物理学奖百年回顾＞［Ｍ］；北京；国防工业出版社；２００３；

[7]尤广建；＜爱因斯坦是怎样创建相对论的＞［Ｍ］；湖南；湖南教育出版社；１９９３