光電效應(yīng)總結(jié)

光電效應(yīng)總結(jié)光電效應(yīng)總結(jié)光電效應(yīng)總結(jié)光電效應(yīng)總結(jié)編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:★光電效應(yīng)光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個重要而神奇的現(xiàn)象。在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)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)家們在研究光電效應(yīng)的過程中，物理學(xué)者對光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解，這對波粒二象性概念的提出有重大影響定律定義光電效應(yīng)光照射到金屬上，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)（Photoelectriceffect）。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)，又稱光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，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)。按照粒子說，光是由一份一份不連續(xù)的光子組成，當(dāng)某一光子照射到對光靈敏的金屬(如硒)上時，它的能量可以被該金屬中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量后，動能立刻增加;如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能在十億分之一秒時間內(nèi)飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時間內(nèi)，入射光子的數(shù)量愈大，飛逸出的光電子就愈多，光電流也就愈強，這種由光能變成電能自動放電的現(xiàn)象，就叫光電效應(yīng)。赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應(yīng)（金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子）。光波長小于某一臨界值時方能發(fā)射電子，即極限波長，對應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強度無關(guān)，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦嵤?，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，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，只是大部分都垂直于金屬表面射出，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，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響。光電效應(yīng)說明了光具有粒子性。相對應(yīng)的，光具有波動性最典型的例子就是光的干涉和衍射。只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會逸出光電子，發(fā)生光電效應(yīng)。當(dāng)在金屬外面加一個閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達陽極便形成所謂的光電流。在入射光一定時，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動能，光電流會隨之增大。但光電流不會無限增大，要受到光電子數(shù)量的約束，有一個最大值，這個值就是飽和電流。所以，當(dāng)入射光強度增大時，根據(jù)光子假設(shè)，入射光的強度（即單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的光能）決定于單位時間里通過單位垂直面積的光子數(shù)，單位時間里通過金屬表面的光子數(shù)也就增多，于是，光子與金屬中的電子碰撞次數(shù)也增多，因而單位時間里從金屬表面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。假若金屬里的自由電子吸收了一個光子的能量，而這能量大于或等于某個與金屬相關(guān)的能量閾（閥）值（稱為這種金屬的逸出功），則此電子因為擁有了足夠的能量，會從金屬中逃逸出來，成為光電子；若能量不足，則電子會釋出能量，能量重新成為光子離開，電子能量恢復(fù)到吸收之前，無法逃逸離開金屬。增加光束的輻照度會增加光束里光子的“密度”，在同一段時間內(nèi)激發(fā)更多的電子，但不會使得每一個受激發(fā)的電子因吸收更多的光子而獲得更多的能量。換言之，光電子的能量與輻照度無關(guān)，只與光子的能量、頻率有關(guān)。被光束照射到的電子會吸收光子的能量，但是其中機制遵照的是一種非全有即全無的判據(jù)，光子所有能量都必須被吸收，用來克服逸出功，否則這能量會被釋出。假若電子所吸收的能量能夠克服逸出功，并且還有剩余能量，則這剩余能量會成為電子在被發(fā)射后的動能。逸出功W是從金屬表面發(fā)射出一個光電子所需要的最小能量。如果轉(zhuǎn)換到頻率的角度來看，光子的頻率必須大于金屬特征的極限頻率，才能給予電子足夠的能量克服逸出功。逸出功與極限頻率v0之間的關(guān)系為W=h*v0其中，h是普朗克常數(shù)，是光頻率為h*v0的光子的能量?？朔莩龉χ?，光電子的最大動能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收的能量。實際物理要求動能必須是正值，因此，光頻率必須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)化的一個啟發(fā)性觀點愛因斯坦1905年3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)為一個物體的狀態(tài)是由數(shù)目很大但還是有限個數(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，為了完全確定一個空間的電磁狀態(tài)，就不能認(rèn)為有限個數(shù)的物理量就足夠了。按照麥克斯韋的理論，對于一切純電磁現(xiàn)象因而也對于光來說，應(yīng)當(dāng)把能量看作是連續(xù)的空間函數(shù)，而按照物理學(xué)家的看法，一個有重客體的能量，則應(yīng)當(dāng)用其中原子和電子所帶能量的總和來表示。一個有重物體的能量不可能分成任意多個、任意小的部分，而按照光的麥克斯韋理論（或者更一般地說，按照任何波動理論），從一個點光源發(fā)射出來的光束的能量，則是在一個不斷增大的體積中連續(xù)地分布的。用連續(xù)空間函數(shù)來運算的光的波動理論，在描述純悴的光學(xué)現(xiàn)象時，已被證明是十分卓越的，似乎很難用任何別的理論來替換?？墒?，不應(yīng)當(dāng)忘記，光學(xué)觀測都同時間平均值有關(guān)，而不是同瞬時值有關(guān)，而且盡管衍射、反射、折射、色散等等理論完全為實驗所證實，但仍可以設(shè)想，當(dāng)人們把用連續(xù)空間函數(shù)進行運算的光的理論應(yīng)用到光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象上去時，這個理論會導(dǎo)致和經(jīng)驗相矛盾。確實在我看來，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)象的觀察，如果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。按照這里所設(shè)想的假設(shè)，從點光源發(fā)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，而是由個數(shù)有限的、局限在空間各點的能量子所組成，這些能量子能夠運動，但不能再分割，而只能整個地被吸收或產(chǎn)生出來。下面我將敘述一下我的思考過程，并且援引一些引導(dǎo)我走上這條道路的事實，我希望這里所要說明的觀點對一些研究工作者在他們的研究中或許會顯得有用?！?關(guān)于“黑體輻射”理論的一個困難讓我們首先仍采用麥克斯韋理論和電子論的觀點來考察下述情況。設(shè)在一個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，它們能夠自由地運動，而且當(dāng)它們彼此很靠近時，相互施以保守力的作用，也就是說，它們能夠象氣體[分子]運動理論中的氣體分子那樣相互碰撞。此外，還假設(shè)有一定數(shù)目的電子被某些力束縛在這空間中一些相距很遠的點上，力的方向指向這些點，其大小同電子與各點的距離成正比。當(dāng)自由的[氣體]分子和電子很靠近這些[束縛]電子時，這些電子同自由的分子和電子之間也應(yīng)當(dāng)發(fā)生保守[力]的相互作用。我們稱這些束縛在空間點上的電子為“振子”；它們發(fā)射一定周期的電磁波，也吸收同樣周期的電磁波。根據(jù)有關(guān)光的產(chǎn)生的現(xiàn)代觀點，在我們所考察的空間中，按照麥克斯韋理論處于動態(tài)平衡情況下的輻射，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是這樣。我們暫且不考慮振子發(fā)射和吸收的輻射，而深入探討同分子和電子的相互作用（或碰憧）相適應(yīng)的動態(tài)平衡的條件問題。氣體[分子]運動理論為動態(tài)平衡提出的條件是：一個電子振子的平均動能必須等于一個氣體分子平移運動的平均動能。如果我們把電子振子的運動分解為三個相互垂直的[分]振動，那末我們求得這樣一個線性[分]振動的能量的平均值

為這里R是絕對氣體常數(shù)，N是克當(dāng)量的“實際分子”數(shù)，而T是絕對溫度。由于振子的動能和勢能對于時間的平均值相等，所以能量

等于自由單原子氣體分子的動能的

。如果現(xiàn)在不論由于哪一種原因——在我們的情況下由于輻射過程——使一個振子的能量具有大于或小于

的時間平均值，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，在我們所考察的情況中，只有當(dāng)每一個振子都具有平均能量

時，動態(tài)平衡才有可能。我們進一步對振子同空間中存在的輻射之間的相互作用作類似的考慮。普朗克（Planck）先生曾假定輻射可以看作是一種所能想象得到的最無序的過程，在這種假定下，他推導(dǎo)出了這種情況下動態(tài)平衡的條件。他找到：這里

是本征頻率為ν的一個振子（每一個振動分量）的平均能量，c是光速，ν是頻率，而

是頻率介于ν和

之間的那部分輻射在每個單位體積中的能量。頻率為ν的輻射，如果其能量總的說來既不是持續(xù)增加，又不是持續(xù)減少，那么，下式必定成立。作為動態(tài)平衡的條件而找到的這個關(guān)系，不但不符合經(jīng)驗，而且它還表明，在我們的圖象中，根本不可能談到以太和物質(zhì)之間有什么確定的能量分布。因為振子的振動數(shù)范圍選得愈廣，空間中輻射能就會變得愈大，而在極限情況下我們得到：§2．關(guān)于普朗克對基本常數(shù)的確定下面我們要指出普朗克先生所作出的對基本常數(shù)的確定，這在一定程度上是同他所創(chuàng)立的黑體輻射理論不相關(guān)的。迄今為止，所有經(jīng)驗都能滿足的關(guān)于

的普朗克公式是：其中，對于大的

值，即對于大的波長和輻射密度，這個公式在極限情況下變成下面的形式：人們看到，這個公式是同§l中用麥克斯韋理論和電子論所求得的公式相符的。通過使這兩個公式的系數(shù)相等，我們得到：或者這就是說，一個氫原子重

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關(guān)于這個量的數(shù)值令人滿意地相符合。我們因此得出結(jié)論：輻射的能量密度和波長愈大，我們所用的理論基礎(chǔ)就愈顯得適用；但是，對于小的波長的小的輻射密度，我們的理論基礎(chǔ)就完全不適用了。方程在以愛因斯坦方式量化分析光電效應(yīng)時使用以下方程：光子能量=移出一個電子所需的能量+被發(fā)射的電子的動能代數(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)中移出一個電子所需的最小能量，是被射出的電子的最大動能，ν0是光電效應(yīng)發(fā)生的閾值頻率，m是被發(fā)射電子的靜止質(zhì)量，vm是被發(fā)射電子的速度，注：如果光子的能量（hν）不大于功函數(shù)（?），就不會有電子射出。功函數(shù)有時又以W標(biāo)記。這個方程與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預(yù)期），可能是因為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)一般光生電壓不會超過Vg=Eg/e,但某些薄膜型半導(dǎo)體被強白光照射會出現(xiàn)比Vg高的多的光生電壓，稱反常光生伏特效應(yīng)。（已觀察到5000V的光生電壓）70年代又發(fā)現(xiàn)光鐵電體的反常光生伏特效應(yīng)（APV）可產(chǎn)生1000V到100000V的電壓，且只出現(xiàn)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)：將兩個同樣的電極浸在電解液中，其中一個被光照射，則在兩電極間產(chǎn)生電位差，稱為貝克勒爾效應(yīng)。（有可能模仿光合作用制成高效率的太陽能電池）(三)光子牽引效應(yīng)：當(dāng)一束光子能量不足以引起電子-空穴產(chǎn)生的激光照射在樣本上，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，同時產(chǎn)生確定能量的電子（俄歇電子），使原子、分子稱為高階離子的現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。應(yīng)用：俄歇電子能譜儀用于表面分析，可辨別不同分子的“指紋”。(五)光電流效應(yīng)（1927年潘寧）放電管兩級間有光致電壓（電流）變化稱為光電流效應(yīng)。（1）：低壓氣體可以放電（約100Pa的惰性氣體）（2）：空間電荷效應(yīng)與輝光放電：放電管中由陰極到陽極存在7個不同的區(qū)域：1：阿斯頓暗區(qū)：靠近陰極很薄的一層暗區(qū)。原因：從陰極由正離子轟擊出的二次電子動能很小，不足以激發(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)：電子從陰極達到該區(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，這里形成了很強的正空間電荷，引起電場分布畸變，管壓大部分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)光最強的區(qū)域。電子在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生許多激發(fā)碰撞發(fā)出明亮的輝光。5：法拉第暗區(qū)：電子在負(fù)輝區(qū)損失能量，進入此區(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，可能改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)。光電流光譜有8個數(shù)量級的動態(tài)范圍，靈敏度高、噪聲小，是一種超靈敏的光譜技術(shù)。（1976年格林等用激光證實光電流光譜）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，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)放電管陰極表面有金屬氧化膜，正離子轟擊表面時，二次電子發(fā)射作用增強，稱為馬爾特效應(yīng)。研究歷史光電效應(yīng)首先由德國物理學(xué)家海因里希·赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)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·萊納德用實驗發(fā)現(xiàn)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制。十九世紀(jì)1839年，年僅十九歲的亞歷山大·貝克勒爾（AlexandreBecquerel），在協(xié)助父親研究將光波照射到電解池（electrolyticcell）所產(chǎn)生的效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)了光生伏打效應(yīng)。雖然這不是光學(xué)效應(yīng)，但對于揭示物質(zhì)的電性質(zhì)與光波之間的密切關(guān)系有很大的作用。威勒畢·史密斯（WilloughbySmith）于1873年在進行與水下電纜相關(guān)的一項任務(wù)，測試硒圓柱高電阻性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)其具有光電導(dǎo)性，即照射光束于硒圓柱會促使其電導(dǎo)增加。海因里希·赫茲1887年，德國物理學(xué)者海因里希·赫茲做實驗觀察到光電效應(yīng)、電磁波的發(fā)射與接收。在赫茲的發(fā)射器里有一個火花間隙（sparkgap），可以借著制造火花來生成與發(fā)射電磁波。在接收器里有一個線圈與一個火花間隙，每當(dāng)線圈偵測到電磁波，火花間隙就會出現(xiàn)火花。由于火花不很明亮，為了更容易觀察到火花，他將整個接收器置入一個不透明的盒子內(nèi)。他注意到最大火花長度因此減小。為了理清原因，他將盒子一部分一部分拆掉，發(fā)現(xiàn)位于接收器火花與發(fā)射器火花之間的不透明板造成了這屏蔽現(xiàn)象。假若改用玻璃來分隔，也會造成這屏蔽現(xiàn)象，而石英則不會。經(jīng)過用石英棱鏡按照波長將光波分解，仔細(xì)分析每個波長的光波所表現(xiàn)出的屏蔽行為，他發(fā)現(xiàn)是紫外線造成了光電效應(yīng)。赫茲將這些實驗結(jié)果發(fā)表于《物理年鑒》，他沒有對該效應(yīng)做進一步的研究。紫外線入射于火花間隙會幫助產(chǎn)生火花，這個發(fā)現(xiàn)立刻引起了物理學(xué)者們的好奇心，其中包括威廉·霍爾伐克士（WilhelmHallwachs）、奧古斯圖·里吉（AugustoRighi）、亞歷山大·史托勒托夫（AleksandrStoletov）等等。他們進行了一系列關(guān)于光波對于帶電物體所產(chǎn)生效應(yīng)的研究調(diào)查，特別是紫外線。這些研究調(diào)查證實，剛剛清潔干凈的鋅金屬表面，假若帶有負(fù)電荷，不論數(shù)量有多少，當(dāng)被紫外線照射時，會快速地失去這負(fù)電荷；假若電中性的鋅金屬被紫外線照射，則會很快地變?yōu)閹в姓姾?，而電子會逃逸到金屬周圍的氣體中，假若吹拂強風(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（Johannelster）和漢斯·蓋特爾（HansGeitel），首先發(fā)展出第一個實用的光電真空管，能夠用來量度輻照度。艾斯特和蓋特爾將其用于研究光波照射到帶電物體產(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)放電能力從大到小順序排列：銣、鉀、鈉鉀合金、鈉、鋰、鎂、鉈、鋅。對于銅、鉑、鉛、鐵、鎘、碳、汞，普通光波造成的光電效應(yīng)很小，無法測量到任何效應(yīng)。上述金屬排列順序與亞歷山德羅·伏打的電化學(xué)排列相同，越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)實驗裝置。當(dāng)時研究“赫茲效應(yīng)”的各種實驗還伴隨著“光電疲勞”的現(xiàn)象，讓研究變得更加復(fù)雜。光電疲勞指的是從干凈金屬表面觀察到的光電效應(yīng)逐漸衰微的現(xiàn)象。根據(jù)霍爾伐克士的研究結(jié)果，在這現(xiàn)象里，臭氧扮演了很重要的角色?？墒牵渌蛩?，例如氧化、濕度、拋光模式等等，都必須納入考量。1888至1891年間，史托勒托夫完成了很多關(guān)于光電效應(yīng)的實驗與分析。他設(shè)計出一套實驗裝置，特別適合于定量分析光電效應(yīng)。借助此實驗裝置，他發(fā)現(xiàn)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研究了光電流與氣壓之間的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)氣壓越低，光電流變越大，直到最優(yōu)氣壓為止；低于這最優(yōu)氣壓，則氣壓越低，光電流變越小。約瑟夫·湯姆孫于1897年4月30日在大不列顛皇家研究院（RoyalInstitutionofGreatBritain）的演講中表示，通過觀察在克魯克斯管里的陰極射線所造成的螢光輻照度，他發(fā)現(xiàn)陰極射線在空氣中透射的能力遠超一般原子尺寸的粒子。因此，他主張陰極射線是由帶負(fù)電荷的粒子組成，后來稱為電子。此后不久，通過觀察陰極射線因電場與磁場作用而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，他測得了陰極射線粒子的荷質(zhì)比。1899年，他用紫外線照射鋅金屬，又測得發(fā)射粒子的荷質(zhì)比為×10emu/g，與先前實驗中測得的陰極射線粒子的數(shù)值×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。從這兩個數(shù)據(jù)，他成功計算出了電子的質(zhì)量：大約是氫離子質(zhì)量的千分之一。電子是當(dāng)時所知質(zhì)量最小的粒子。二十世紀(jì)匈牙利物理學(xué)家菲利普·萊納德菲利普·萊納德于1900年發(fā)現(xiàn)紫外線會促使氣體發(fā)生電離作用。由于這效應(yīng)廣泛發(fā)生于好幾厘米寬區(qū)域的空氣，并且制造出很多大顆的正離子與小顆的負(fù)離子，這現(xiàn)象很自然地被詮釋為光電效應(yīng)發(fā)生于在氣體中的固體粒子或液體粒子，湯姆孫就是如此詮釋這現(xiàn)象。1902年，萊納德又發(fā)布了幾個關(guān)于光電效應(yīng)的重要實驗結(jié)果。第一，借著變化紫外光源與陰極之間的距離，他發(fā)現(xiàn)，從陰極發(fā)射的光電子數(shù)量每單位時間與入射的輻照度成正比。第二，使用不同的物質(zhì)為陰極材料，可以顯示出，每一種物質(zhì)所發(fā)射出的光電子都有其特定的最大動能（最大速度），換句話說，光電子的最大動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，他觀察到，光電子的最大動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，光波并沒有給予這些電子任何能量，這些電子本來就已擁有這能量，光波扮演的角色好似觸發(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”（triggeringhypothesis）。在那時期，學(xué)術(shù)界廣泛接受觸發(fā)假說為光電效應(yīng)的機制?？墒牵@假說遭遇到一些嚴(yán)峻問題，例如，假若電子本來在原子里就已擁有了逃逸束縛與發(fā)射之后的動能，那么，將陰極加熱應(yīng)該會給予更大的動能，但是物理學(xué)者做實驗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)表了六篇劃時代的論文。1905年，愛因斯坦發(fā)表論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點》，對于光電效應(yīng)給出另外一種解釋。他將光束描述為一群離散的量子，現(xiàn)稱為光子，而不是連續(xù)性波動。對于馬克斯·普朗克先前在研究黑體輻射中所發(fā)現(xiàn)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，組成光束的每一個量子所擁有的能量等于頻率乘以普朗克常數(shù)。假若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勁，假若頻率低于極限頻率，則仍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，但卻遭遇到學(xué)術(shù)界強烈的抗拒，這是因為它與詹姆斯·麥克斯韋所表述，而且經(jīng)過嚴(yán)格理論檢驗、通過精密實驗證明的光的波動理論相互矛盾，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”相互矛盾。甚至在實驗證實愛因斯坦的光電效應(yīng)方程正確無誤之后，強烈抗拒仍舊延續(xù)多年。愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)開啟了的量子物理的大門，愛因斯坦因為“對理論物理學(xué)的成就，特別是光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)”榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎。圖為密立根做光電效應(yīng)實驗得到的最大能量與頻率關(guān)系線。豎軸是能夠阻止最大能量光電子抵達陽極的截止電壓，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·密立根的注意，但他也不贊同愛因斯坦的理論。之后十年，他花費很多時間做實驗研究光電效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，增加陰極的溫度，光電子最大能量不會跟著增加。他又證實光電疲勞現(xiàn)象是因氧化作用所產(chǎn)生的雜質(zhì)造成，假若能夠?qū)⑶鍧嵏蓛舻年帢O保存于高真空內(nèi)，就不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象了。1916年，他證實了愛因斯坦的理論正確無誤，并且應(yīng)用光電效應(yīng)直接計算出普朗克常數(shù)。密立根因為“關(guān)于基本電荷以及光電效應(yīng)的工作”獲頒1923年諾貝爾物理學(xué)獎。根據(jù)波粒二象性，光電效應(yīng)也可以用波動概念來分析，完全不需用到光子概念。威利斯·蘭姆與馬蘭·斯考立（MarlanScully）于1969年證明這理論。實驗驗證1887年，赫茲在做證實麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲用兩套放電電極做實驗，一套產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套作為接收器。他意外發(fā)現(xiàn)，如果接收電磁波的電極受到紫外線的照射，火花放電就變得容易產(chǎn)生。赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發(fā)表后，引起物理學(xué)界廣泛的注意，許多物理學(xué)家進行了進一步的實驗研究。1888年，德國物理學(xué)家霍爾瓦克斯（WilhelmHallwachs）證實，這是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)了荷電體的緣故。1899年，.湯姆孫用巧妙的方法測得產(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，這就說明產(chǎn)生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這樣，物理學(xué)家就認(rèn)識到，這一現(xiàn)象的實質(zhì)是由于光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內(nèi)部的自由電子獲得更大的動能，因而從金屬表面逃逸出來的一種現(xiàn)象。光電效應(yīng)1899—1902年，勒納德（，1862—1947）對光電效應(yīng)進行了系統(tǒng)的研究，并首先將這一現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)”。為了研究光電子從金屬表面逸出時所具有的能量，勒納德在電極間加一可調(diào)節(jié)反向電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面時的最大速度。他選用不同的金屬材料，用不同的光源照射，對反向電壓的截止值進行了研究，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的一些實驗規(guī)律。根據(jù)動能定理：qU=mv^2/2，可計算出發(fā)射出電子的能量?？傻贸觯篽f=(1/2)mv^2+I+W深入的實驗發(fā)現(xiàn)的規(guī)律與經(jīng)典理論存在諸多矛盾，但許多物理學(xué)家還是想在經(jīng)典電磁理論的框架內(nèi)解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。有一些物理學(xué)家試圖把光電效應(yīng)解釋為一種共振現(xiàn)象。勒納德在1902年提出觸發(fā)假說，假設(shè)在電子的發(fā)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)部運動，光照射到原子上，只要光的頻率與電子本身的振動頻率一致，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，原子里電子的振動頻率是特定的，只有頻率合適的光才能起觸發(fā)作用。勒納德的假說在當(dāng)時很有影響，被一些物理學(xué)家接受。但是，不久，勒納德的觸發(fā)假說被他自己的實驗否定。愛因斯坦用光量子理論對光電效應(yīng)提出理論解釋后，最初科學(xué)界的反應(yīng)是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理學(xué)家也不接受光量子假說。盡管理論與已有的實驗事實并不矛盾，但當(dāng)時還沒有充分的實驗來支持愛因斯坦光電效應(yīng)方程給出的定量關(guān)系。直到1916年，光電效應(yīng)的定量實驗研究才由美國物理學(xué)家密立根完成。密立根對光電效應(yīng)進行了長期的研究，經(jīng)過十年之久的試驗、改進和學(xué)習(xí)，有效地排除了表面接觸電位差等因素的影響，獲得了比較好的單色光。他的實驗非常出色，于1914年第一次用實驗驗證了愛因斯坦方程是精確成立的，并首次對普朗克常數(shù)h作了直接的光電測量，精確度大約是%(在實驗誤差范圍內(nèi))。1916年密立根發(fā)表了他的精確實驗結(jié)果，他用6種不同頻率的單色光測量反向電壓的截止值與頻率關(guān)系曲線關(guān)系，這是一條很好的直線，從直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。發(fā)現(xiàn)規(guī)律通過大量的實驗總結(jié)出光電效應(yīng)具有如下實驗規(guī)律：1．每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)時都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應(yīng)的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無法使電子逸出。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)。3．光電效應(yīng)的瞬時性。實驗發(fā)現(xiàn)，即幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時間不超過十的負(fù)九次方秒（1ns）。4.入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間單位面積內(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，飽和電流越大，即一定顏色的光，入射光越強，一定時間內(nèi)發(fā)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察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預(yù)期），可能是因為系統(tǒng)沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。光控制電器利用光電管制成的光控制電器，可以用于自動控制，如自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等等，右上圖是光控繼電器的示意圖，它的工作原理是：當(dāng)光照在光電管上時，光電管電路中產(chǎn)生電光流，經(jīng)過放大器放大，使電磁鐵M磁化，而把銜鐵N吸住，當(dāng)光電管上沒有光照時，光電管電路中沒有電流，電磁鐵M就自動控制，利用光電效應(yīng)還可測量一些轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速。光伏控制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、電光度計等，這里介紹一下光電倍增管。這種管子可以測量非常微弱的光。右下圖是光電倍增管的大致結(jié)構(gòu)，它的管內(nèi)除有一個陰極K和一個陽極A外，還有若干個倍增電極等。使用時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，各個倍增電極的電勢依次升高，陽極電勢最高，這樣，相鄰兩個電極之間都有加速電場，當(dāng)陰極受到光的照射時，就發(fā)射光電子，并在加速電場的作用下，以較大的動能撞擊到第一個倍增電極上，光電子能從這個倍增電極上激發(fā)出較多的電子，這些電子在電場的作用下，又撞擊到第二個倍增電極上，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，最后后陽極收集到的電子數(shù)將比最初從陰極發(fā)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)了對敏感光源具有個體差異性和群體一貫性的趨光性行為特征，并通過視覺神經(jīng)信號響應(yīng)和生理光子能量需求的方式呈現(xiàn)出生物光電效應(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。定律影響光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲在做證實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)。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。1922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。1923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。矛盾在光電效應(yīng)中，要釋放光電子顯然需要光電效應(yīng)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。光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，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，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響。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。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。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。外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)的一些實驗規(guī)律a．僅當(dāng)照射物體的光頻率不小于某個確定值時，物體才能發(fā)出光電子，這個頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應(yīng)的波長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)：銫鈉鋅銀鉑65205400372026001960b．光電子脫出物體時的初速度和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強度無關(guān)。這就是說，光電子的初動能只和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強度無關(guān)。c．在光的頻率不變的情況下，入射光越強，相同的時間內(nèi)陰極(發(fā)射光電子的金屬材料)發(fā)射的光電子數(shù)目越多d．從實驗知道，產(chǎn)生光電流的過程非?？?，一般不超過10的-9次方秒；停止用光照射，光電流也就立即停止。這表明，光電效應(yīng)是瞬時的。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能。金屬內(nèi)部有大量的自由電子，這是金屬的特征，因而對于金屬來說，I項可以略去，愛因斯坦方程成為hυ=(1/2)mv^2+W假如hυ<W,電子就不能脫出金屬的表面。對于一定的金屬，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)光強度增加使照射到物體上的光子的數(shù)量增加，因而發(fā)射的光電子數(shù)和照射光的強度成正比。算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應(yīng)時使用以下算式：光子能量=移出一個電子所需的能量+被發(fā)射的電子的動能代數(shù)形式：hf=φ+Emφ=hf0Em=(1/2)mv^2其中h是普朗克常數(shù)，h=×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能，m是被發(fā)射電子的靜止質(zhì)量，v是被發(fā)射電子的速度注：如果光子的能量（hf）不大于功函數(shù)（φ），就不會有電子射出。功函數(shù)有時又以W標(biāo)記。這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預(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?；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)換成一個個放大了的電脈沖，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)）。1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。2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，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。光伏發(fā)電，其基本原理就是“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。因為要制造電壓，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。簡單來說就是在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光