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。特定頻率以上的電磁波（這個頻率稱為極限頻率閾值 頻率）在輻照下，一些物質(zhì)中的電子吸收能量后彈出形成電流，即光生電。

光電現(xiàn)象是德國物理學(xué)家赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)的，正確的解釋是愛因斯坦提出的。在科學(xué)家研究光電效應(yīng)的過程中，物理學(xué)家對光子的量子性質(zhì)有了更深入的認(rèn)識，這對波粒二象性的概念有很大的影響。

光電效應(yīng)

當(dāng)光照射金屬時，這種物質(zhì)的電特性會發(fā)生變化。這種光電致變色現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（photoeffect）光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和勢壘光電效應(yīng)，又稱光伏效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，也稱為外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)部光電效應(yīng)。

根據(jù)粒子理論，光是由一個不連續(xù)的光子組成的，當(dāng)一個光子照射到光敏物質(zhì)上時(如硒)On，它的能量可以完全被物質(zhì)中的一個電子吸收。電子吸收光子的能量后，動能立刻增加；如果動能增加到足以克服原子核的引力，它可以在十億分之一秒內(nèi)飛出金屬表面，成為光電子，形成光電流。單位時間內(nèi)，入射光子數(shù)越多，飛出的光電子越多，光電流越強這種光能自動釋放為電能的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)。

赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，愛因斯坦是第一個成功解釋它的人（金屬表面在光的照射下發(fā)出的電子的效應(yīng)稱為光電子）只有當(dāng)光的波長小于某個臨界值時，才能發(fā)射電子，也就是極限波長，對應(yīng)的光的頻率稱為極限頻率。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，與光強無關(guān)，不能用光的漲落來解釋。和光的波動也有矛盾，就是光電效應(yīng)的瞬時性根據(jù)漲落理論，如果入射光較弱，照射時間較長，金屬中的電子可以積累足夠的能量，飛出金屬表面。但事實是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，無論光的亮度強弱，電子的產(chǎn)生幾乎是瞬間的，不超過十減九秒。正確的解釋是，光必須是與波長相關(guān)的嚴(yán)格定義的能量單位(即光子或光量子)所組成。

光電效應(yīng)

在光電效應(yīng)中，電子的發(fā)射方向不是完全定向的。

光電效應(yīng)表明光具有粒子性。相應(yīng)的，光的波動最典型的例子就是光的干涉和衍射。

只要光的頻率超過一定的極限頻率，光電子就會立即從光照射的金屬表面逃逸，產(chǎn)生光電效應(yīng)。當(dāng)在金屬外面加上一個閉合電路，加上一個正向電源，這些逃逸的光電子全部到達(dá)陽極，形成所謂的光電流。當(dāng)入射光不變時，通過增加光電池兩極的直流電壓，提高光電子的動能，光電流會增大。但光電流不會無限增加，受光電子數(shù)的限制，存在一個最大值，就是飽和電流。因此，根據(jù)光子假說，當(dāng)入射光的強度增加時，入射光的強度（即單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的光能）取決于單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的光子數(shù)，單位時間內(nèi)通過金屬表面的光子數(shù)也會增加，所以光子與電子在金屬內(nèi)的碰撞次數(shù)也會增加，所以單位時間內(nèi)從金屬表面逃逸的光電子數(shù)也會增加，電流也會增加。

通過大量實驗，得出光電效應(yīng)有以下實驗規(guī)律：

1．每種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)都有一個極限頻率（或稱截止頻率）也就是說，照射光的頻率不能低于某個臨界值。相應(yīng)的波長稱為極限波長（或稱紅限波長）當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時，無論光有多強，電子都無法逃逸。

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)，而與光的強度無關(guān)。

3．光電效應(yīng)的瞬時性。人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬被照射時，光電流幾乎立即產(chǎn)生。響應(yīng)時間不得超過10秒的負(fù)9秒（1ns）

光電效應(yīng)

4.入射光的強度只影響光電流的強度，即只影響單位時間單位面積內(nèi)逃逸的光電子數(shù)。在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，即入射光越強，在一定時間內(nèi)發(fā)射的電子越多。

制造光電倍增管

當(dāng)公式與觀察不一致時（即不發(fā)射電子或者電子的動能小于預(yù)期）這可能是因為該系統(tǒng)不是完全有效的，一些能量以熱量或輻射的形式損失了。

光控制電器

光伏控制器

由光電池制成的光控裝置可用于自動控制，如自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等右上方的圖是光控繼電器的原理圖其工作原理如下：當(dāng)光線照射到光電池上時，光電池的電路中產(chǎn)生一股電光電流，經(jīng)放大器放大后使電磁鐵M磁化，吸引銜鐵n，當(dāng)光電池上沒有光線時，光電池的電路中沒有電流，電磁鐵M被自動控制，利用光電效應(yīng)可以測量一些旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速。

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、光電光度計等這是光電倍增管。這支管子能測量很弱的光。右圖是光電倍增管的一般結(jié)構(gòu)，有一個陰極K和一個陽極A，還有幾個倍增電極

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等。（一般105 ~ 108次）所以這種管只要暴露在很弱的光線下就能產(chǎn)生很大的電流，在工程上使用、天文、軍事等方面都有重要作用。

農(nóng)業(yè)病蟲害防治

農(nóng)業(yè)害蟲的防治需要根據(jù)害蟲和環(huán)境的特點來提出、生態(tài)兼容技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)。有害昆蟲對敏感光源表現(xiàn)出個體差異和群體一致性的趨光行為特征，通過視覺神經(jīng)信號反應(yīng)和生理光子能量需求表現(xiàn)出生物光電效應(yīng)的本質(zhì)。利用昆蟲的這種趨性誘導(dǎo)增益，一些光電誘導(dǎo)殺蟲燈技術(shù)和害蟲誘導(dǎo)誘捕技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)害蟲的防治，具有良好的應(yīng)用前景。

光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲在做火花放電實驗以證實麥克斯韋 這一現(xiàn)象成為突破麥克斯韋電磁理論的重要證據(jù)電磁理論。

愛因斯坦 他在研究光電效應(yīng)時對光量子的解釋不僅擴展了普朗克的理論s量子理論，還證明了波粒二象性不僅僅是能量所具有的，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)的證據(jù)，具有不可估量的哲學(xué)意義。這一理論也為玻爾 原子理論和德布羅意 物質(zhì)波理論。密立根 的定量實驗研究不僅從實驗的角度證明了光量子理論，而且為玻爾 的原子理論。

1921年，愛因斯坦因建立光的量子理論并成功解釋光電效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

1922年，波爾 因為密立根證實了光量子理論，他的原子理論也得到了實驗的支持，從而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

1923年，密立根“因為測量元素電荷和研究光電效應(yīng)”獲得諾貝爾物理學(xué)獎。