光電效應(yīng)

ont: bold 18px/24px arial, 宋體, sans-serif; white-space: normal; orphans: 2; letter-spacing: normal; color: rgb(0,0,0); clear: both; word-spacing: 0px; padding-top: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">光電效應(yīng)概述

　　光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）。這一現(xiàn)象是1887年赫茲在實(shí)驗(yàn)研究麥克斯韋電磁理論時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的。1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）證實(shí)是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)荷電體的緣故。1899年，J·J·湯姆孫通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該荷電體與陰極射線一樣是電子流。1899—1902年間，勒納德（P·Lenard）對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并命名為光電效應(yīng)。1905年，愛(ài)因斯坦在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》一文中，用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了全面的解釋。1916年，美國(guó)科學(xué)家密立根通過(guò)精密的定量實(shí)驗(yàn)證明了愛(ài)因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論。

光電效應(yīng)

　　1905年，愛(ài)因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 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)（Photoelectric effect）。 光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(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)?！『掌澯?887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦第一個(gè)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(lái)的電子叫做光電子）。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長(zhǎng)，對(duì)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(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)無(wú)法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長(zhǎng)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?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)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(wú)關(guān) ，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。

　　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(wú)關(guān)，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。

　　光電效應(yīng)說(shuō)明了光具有粒子性。相對(duì)應(yīng)的，光具有波動(dòng)性最典型的例子就是光的干涉和衍射。

　　只要光的頻率超過(guò)某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會(huì)逸出光電子，發(fā)生光電效應(yīng)。當(dāng)在金屬外面加一個(gè)閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極便形成所謂的光電流?！≡谌肷涔庖欢〞r(shí)，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動(dòng)能，光電流會(huì)隨之增大。但光電流不會(huì)無(wú)限增大，要受到光電子數(shù)量的約束，有一個(gè)最大值，這個(gè)值就是飽和電流。　所以，當(dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，根據(jù)光子假設(shè)，入射光的強(qiáng)度（即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的光能）決定于單位時(shí)間里通過(guò)單位垂直面積的光子數(shù)，單位時(shí)間里通過(guò)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(shí)間里從金屬表面逸出的光電子也增多，飽和電流也隨之增大

理論發(fā)展歷史

　　光電效應(yīng)由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用。

　　1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過(guò)電花。

　　大約1900年，馬克思·普朗克（Max Planck）對(duì)光電效應(yīng)作出最初解釋，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）這一理論。他給這一理論歸咎成一個(gè)等式，也就是 E=hf ，E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一個(gè)常數(shù)，統(tǒng)稱布蘭科（普朗克）常數(shù)（Planck‘s constant），而f就是光源的頻率。也就是說(shuō)，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科（普朗克）自己對(duì)于光線是包裹式的說(shuō)法也不太肯定。

　　1902年，勒納（Lenard）也對(duì)其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋

　　1905年，愛(ài)因斯坦26歲時(shí)提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W，W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek就是電子自由后具有的動(dòng)能。