光電效應(yīng)簡(jiǎn)介

光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)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(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，即光生電。光電現(xiàn)象由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛(ài)因斯坦所提出。科學(xué)家們?cè)谘芯抗怆娦?yīng)的過(guò)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有重大影響。

光電效應(yīng)有哪些規(guī)律

a.僅當(dāng)照射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)頻率螄叫做極限頻率（或叫做截止頻率），相應(yīng)的波長(zhǎng)入。叫做極限波長(zhǎng)。不同物質(zhì)的極限頻率”

b.光電子脫出物體時(shí)的初速度和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這就是說(shuō)，光電子的初動(dòng)能只和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

C.產(chǎn)生光電流的過(guò)程非常快，一般不超過(guò)10^-9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(shí)的。

d.產(chǎn)生光電流的強(qiáng)度和照射發(fā)光強(qiáng)度成正比，且存在飽和電流。

光電效應(yīng)有哪幾種

光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)兩種。內(nèi)光電效應(yīng)中又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；內(nèi)光電效應(yīng)中，基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻；基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等；此外還有光敏二極管和光敏晶體管等。

光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律

對(duì)于光電效應(yīng)這一節(jié)，重點(diǎn)在于理解光電效應(yīng)的含義及其實(shí)驗(yàn)裝置和規(guī)律。下面就這個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置和實(shí)驗(yàn)規(guī)律加以剖析。

光電效應(yīng)的含義：

在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。

研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，陰極K和陽(yáng)極A封閉在真空管內(nèi)，在兩極之間加一可變電壓，用以加速或阻擋釋放出來(lái)的電子。光通過(guò)小窗照到陰極K上，在光的作用下，電子從電極K逸出，并受電場(chǎng)加速而形成電流，這種電流稱(chēng)為光電流。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光和光電流之間有一定的依存關(guān)系。

（1）在入射光的強(qiáng)度與頻率不變的情況下，電流——電壓的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖2所示。曲線(xiàn)表明，當(dāng)加速電壓U增加到一定值時(shí)，光電流達(dá)到飽和值，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)從陰極K射出的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極A。則飽和電流。

另一方面，當(dāng)加速電壓逐漸減小到零，并逐漸變負(fù)時(shí)（這時(shí)電場(chǎng)力對(duì)于光電子來(lái)說(shuō)是阻力），光電流并不降為零，這就表明從電極K逸出的光電子具有初動(dòng)能。所以盡管有電場(chǎng)力阻礙它運(yùn)動(dòng)，仍有部分初動(dòng)能比較大的光電子到達(dá)電極A。但由于單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極A的光電子數(shù)減少，所以光電流就隨著減小。隨著反向電壓越來(lái)越大，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極A的光電子數(shù)就越來(lái)越少，光電流也就越來(lái)越小。但是當(dāng)反向電壓增大到等于時(shí)，就能阻止所有的光電子飛向電極A，光電流降為零，這個(gè)電壓叫遏止電壓。它使具有最大初速度的光電子也不能到達(dá)電極A。這樣我們就能根據(jù)遏止電壓來(lái)確定電子的最大初速度和最大初動(dòng)能，即可得：，式中e為電子的電荷。

（2）在用相同頻率不同強(qiáng)度的光去照射電極K時(shí)，得到電流—電壓的曲線(xiàn)如圖3所示。它顯示出對(duì)于不同強(qiáng)度的光，是相同的，這說(shuō)明同一種頻率，不同強(qiáng)度的光所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能是相同的。但光電流強(qiáng)度不同，這是因?yàn)槿肷涔獾膹?qiáng)度是由單位時(shí)間到達(dá)金屬表面的光子數(shù)目決定的，而被擊中的光電子（亦即吸收了光子能量的電子）數(shù)又與光子數(shù)目成正比，這樣光的強(qiáng)度越大，被擊出的光電子數(shù)就越多，則形成的光電流就越強(qiáng)。即當(dāng)入射光的頻率一定時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。

（3）用不同頻率的光去照射電極K時(shí)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是：頻率愈高，愈大，說(shuō)明了光電子的最大初動(dòng)能與光的頻率有關(guān)。并且光的頻率v與成直線(xiàn)關(guān)系，如圖4所示。頻率低于的光，不論強(qiáng)度多大，都不能產(chǎn)生光電子，因此稱(chēng)為極限頻率。對(duì)于不同的材料極限頻率不同。

總結(jié)所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光電效應(yīng)的規(guī)律就可歸納為如下幾點(diǎn)：

①在入射光頻率一定的情況下，飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比，也就是單位時(shí)間內(nèi)被擊出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。

②光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，而只與入射光的頻率有關(guān)。頻率越高，光電子的能量就越大。

③入射光的頻率低于的光，無(wú)論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒(méi)有光電子發(fā)射。

④光的照射和光電子的釋放幾乎是同時(shí)的，一般不超過(guò)秒。

為了解釋光電效應(yīng)的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，1905年愛(ài)因斯坦推廣了普朗克關(guān)于能量子的概念，提出了光子說(shuō)，光子說(shuō)能夠很好地解釋光電效應(yīng)。把光子的概念應(yīng)用于光電效應(yīng)時(shí)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為一個(gè)光子的能量是傳遞給金屬中的單個(gè)電子的。電子吸收一個(gè)光子后，把能量的一部分用來(lái)掙脫金屬對(duì)它的束縛，余下的一部分就變成電子離開(kāi)金屬表面后的動(dòng)能，按能量守恒和轉(zhuǎn)化定律應(yīng)有：

上式即為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，其中為光電子的動(dòng)能，W為光電子逸出金屬表面所需的最小能量，稱(chēng)為金屬的逸出功。不同的金屬逸出功是不一樣的。

光電效應(yīng)方程的圖象如圖5所示，即為該種金屬的極限頻率。

光電效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域

1、制造光電倍增管

算式與觀察不符時(shí)（即沒(méi)有射出電子或電子動(dòng)能小于預(yù)期），可能是因?yàn)橄到y(tǒng)沒(méi)有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。

2、光控制電器

利用光電管制成的光控制電器，可以用于自動(dòng)控制，如自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等等，右上圖是光控繼電器的示意圖，它的工作原理是：當(dāng)光照在光電管上時(shí)，光電管電路中產(chǎn)生電光流，經(jīng)過(guò)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(méi)有光照時(shí)，光電管電路中沒(méi)有電流，電磁鐵M就自動(dòng)控制，利用光電效應(yīng)還可測(cè)量一些轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)速。

3、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，這里介紹一下光電倍增管。這種管子可以測(cè)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(gè)陰極K和一個(gè)陽(yáng)極A外，還有若干個(gè)倍增電極K1.K2.K3.K4.K5等。使用時(shí)不但要在陰極和陽(yáng)極之間加上電壓，各倍增電極也要加上電壓，使陰極電勢(shì)最低，各個(gè)倍增電極的電勢(shì)依次升高，陽(yáng)極電勢(shì)最高，這樣，相鄰兩個(gè)電極之間都有加速電場(chǎng)，當(dāng)陰極受到光的照射時(shí)，就發(fā)射光電子，并在加速電場(chǎng)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(chǎng)的作用下，又撞擊到第二個(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，最后后陽(yáng)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。

4、農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防治

農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害的治理需要依據(jù)為害昆蟲(chóng)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(chóng)表現(xiàn)了對(duì)敏感光源具有個(gè)體差異性和群體一貫性的趨光性行為特征，并通過(guò)視覺(jué)神經(jīng)信號(hào)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(chóng)的這種趨性行為誘導(dǎo)增益特性，一些光電誘導(dǎo)殺蟲(chóng)燈技術(shù)以及害蟲(chóng)誘導(dǎo)捕集技術(shù)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害的防治，具有良好的應(yīng)用前景。