光電效應 - 中文百科知識

光電效應 光電效應是指金屬表面在光輻射作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子。

光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏打效應。

前一種現象發生在物體表面 ... 光電效應 光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象。

在高於某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即光生電。

光電現象由德國物理學家赫茲於1887年發現，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。

科學家們在研究光電效應的過程中，物理學者對光子的量子性質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。

光電效應分為外光電效應和內光電效應。

在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象叫做外光電效應；內光電效應是指當光照在物體上，使物體的電導率發生變化，或產生光生電動勢的現象。

基本信息中文名稱：光電效應外文名：Photoelectriceffect提出者：海因里希·赫茲提出時間：1887年套用學科：物理適用領域範圍：電器、農業釋義：某些物質在光的照射下產生光電流正確釋義者：愛因斯坦定律定義光電效應中的電子圖1905年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。

光照射到金屬上，引起物質的電性質發生變化。

這類光變致電的現象被人們統稱為光電效應（Photoelectriceffect）。

光電效應分為光電子發射、光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。

前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。

後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。

赫茲於1887年發現光電效應，愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應（金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子）。

光波長小於某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。

臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關，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。

可事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，電子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。

正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即光子或光量子)所組成。

光電效應里電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關。

光是電磁波，但是光是高頻震盪的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。

光電效應說明了光具有粒子性。

相對應的，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，發生光電效應。

當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，要受到光電子數量的約束，有一個最大值，這個值就是飽和電流。

所以，當入射光強度增大時，根據光子假設，入射光的強度（即單位時間內通過單位垂直面積的光能）決定於單位時間裡通過單位垂直面積的光子數，單位時間裡通過金屬表面的光子數也就增多，於是，光子與金屬中的電子碰撞次數也增多，因而單位時間裡從金屬表面逸出的光電子也增多，電流也隨之增大。

研究歷史光電效應光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化。

這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應。

英文名稱∶Photoelectriceffect。

這一現象是1887年赫茲在實驗研究麥克斯韋電磁理論時偶然發現的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，偶然發現了光電效應。

赫茲用兩套放電電極做實驗，一套產生振盪，發出電磁波；另一套作為接收器。

他意外發現，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生。

赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發表後，引起物理學界廣泛的注意，許多物理學家進行了進一步的實驗研究。

1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯（WilhelmHallwachs）證實，這是由於在放電間隙內出現了荷電體的緣故。

1899年，J•J•湯姆孫用巧妙的方法測得產生的光電流的荷質比，獲得的值與陰極射線粒子的荷質比相近，這就說明產生的光電流和陰極射線一樣是電子流。

這樣，物理學家就認識到，這一現象的實質是由於光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內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象。

1899—1902年，勒納德（P•Lenard，1862—1947）對光電效應進行了系統的研究，並首先將這一現象稱為“光電效應”。

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節反向電壓，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，並總結出了光電效應的一些實驗規律。

1905年，愛因斯坦在《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》一文中，用光量子理論對光電效應進行了全面的解釋。

1916年，美國科學家密立根通過精密的定量實驗證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論。

深入的實驗發現的規律與經典理論存在諸多矛盾，但許多物理學家還是想在經典電磁理論的框架內解釋光電效應的實驗規律。

勒納德在1902年提出觸發假說，假設在電子的發射過程中，光只起觸發作用，電子原本就是以某一速度在原子內部運動，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，就發生共振，電子就以其自身的速度從原子內部逸出。

勒納德認為，原子里電子的振動頻率是特特定的，只有頻率合適的光才能起觸發作用。

勒納德的假說在當時很有影響，被一些物理學家接受。

但是，不久，勒納德的觸發假說被他自己的實驗否定。

當時，還有一些物理學家試圖把光電效應解釋為一種共振現象。

實驗驗證光電效應光電效應是指金屬表面在光輻射作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子。

光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏打效應。

前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。

後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。

實驗規律通過大量的實驗總結出光電效應具有如下實驗規律：光電效應1、每一種金屬在產生光電效應是都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低於某一臨界值。

相應的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。

當入射光的頻率低於極限頻率時，無論多強的光都無光電子逸出。

2、光電效應中產生的光電子的速度與光的頻率有關，而與光強無關。

3、光電效應的瞬時性。

實驗發現，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，回響時間不超過十的負九次方秒（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內由單位面積是逸出的光電子數目。

幾種金屬材料的極限波長(埃)：材料銫鈉鋅銀鉑極限波長65205400372026001960理論矛盾在光電效應中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。

根據經典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定於它的強度，即只與電磁波的振幅有關，而與電磁波的頻率無關。

而實驗規律中的第一、第二兩點顯然用經典理論無法解釋。

第三條也不能解釋，因為根據經典理論，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生光電子。

光電效應里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關,光是電磁波，但是光是高頻震盪的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響.所有這些實際上已經曝露出了經典理論的缺陷，要想解釋光電效應必須突破經典理論。

光量子解釋1905年，愛因斯坦把普朗克的量子化概念進一步推廣。

他指出：不僅黑體和輻射場的能量交換是量子化的，而且輻射場本身就是由不連續的光量子組成，每一個光量子的與輻射場頻率之間滿足ε=hν，即它的能量只與光量子的頻率有關，而與強度（振幅）無關。

愛因斯坦光電效應方程根據愛因斯坦的光量子理論，射向金屬表面的光，實質上就是具有能量ε=hν的光子流。

如果照射光的頻率過低，即光子流中每個光子能量較小，當他照射到金屬表面時，電子吸收了這一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小於電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能產生光電效應。

如果照射光的頻率高到能使電子吸收後其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，就會產生光電效應。

此時逸出電子的動能、光子能量和逸出功之間的關係可以表示成：光子能量=移出一個電子所需的能量（逸出功）+被發射的電子的動能。

即：hf=(1/2)mv^2+Φ這就是愛因斯坦光電效應方程。

其中，h是普朗克常數；f是入射光子的頻率；功函式Φ是功函式，指從原子鍵結中移出一個電子所需的最小能量，表達式如右圖，其中f0是光電效應發生的閥值頻率，即極限頻率；功函式有時又以W或A標記。

動能表達式E(kmax)是逸出電子的最大動能，如右圖；m是被發射電子的靜止質量；vm是被發射電子逸出時的初速度。

註：這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小於預期），可能是因為系統沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。

根據愛因斯坦光量子理論，光電效應中光電子的能量決定於照射光的頻率，而與照射光的強度無關，故可以解釋實驗規律的第一、第二兩條。

其中的極限頻率是指光量子的能量剛好滿足克服金屬逸出功的光量子頻率，而不同的金屬電子逸出所需要的能量不同，所以不同金屬的極限頻率不同。

對第三條，由於當光量子的能量足夠，不管光強（只決定於光量子的數目）如何，電子在吸收了光量子後都可馬上逸出，故可立即產生光電效應，不需要積累過程。

當光照射到金屬表面時，其強度越大表明光量子數越多，它被金屬中電子吸收的可能性越大，因此就可以解釋為什麼被打出的電子數隻與光的強度有關而與光的頻率無關。

結果驗證實驗電路愛因斯坦用光量子理論對光電效應提出理論解釋後，最初科學界的反應是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理學家也不接受光量子假說。

儘管理論與已有的實驗事實並不矛盾，但當時還沒有充分的實驗來支持愛因斯坦光電效應方程給出的定量關係。

直到1916年，光電效應的定量實驗研究才由美國物理學家密立根完成。

密立根對光電效應進行了長期的研究，經過十年之久的試驗、改進和學習，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，於1914年第一次用實驗驗證了愛因斯坦方程是精確成立的，並首次對普朗克常數h作了直接的光電測量，精確度大約是0.5%(在實驗誤差範圍內)。

1916年密立根發表了他的精確實驗結果，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係曲線關係，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。

結果與普朗克1900年從黑體輻射得到的數值符合得很好。

分類光電效應分為：外光電效應和內光電效應。

內光電效應是被光激發所產生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質內部運動，使物質的電導率發生變化或產生光生伏特的現象。

外光電效應是被光激發產生的電子逸出物質表面，形成真空中的電子的現象。

外光電效應光電效應在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象叫做外光電效應。

外光電效應的一些實驗規律a．僅當照射物體的光頻率不小於某個確定值時，物體才能發出光電子，這個頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應的波長λ0叫做極限波長。

不同物質的極限頻率和相應的極限波長λ0是不同的。

b．光電子脫出物體時的初速度和照射光的頻率有關而和發光強度無關。

這就是說，光電子的初動能只和照射光的頻率有關而和發光強度無關。

c．在光的頻率不變的情況下，入射光越強，相同的時間內陰極(發射光電子的金屬材料)發射的光電子數目越多d．從實驗知道，產生光電流的過程非常快，一般不超過1光電效應0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。

金屬內部有大量的自由電子，這是金屬的特徵，因而對於金屬來說，I項可以略去，愛因斯坦方程成為hυ=(1/2)mv^2+W假如hυ