標籤: 暫無標籤

光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象,在光的照射下,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。科學家們對光電效應的深入研究對發展量子理論起了根本性的作用。

1 光電效應 -簡介

光電效應光電效應
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∶Photoelectric effect。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。1888年,德國物理學家霍爾瓦克斯(Wilhelm Hallwachs)證實是由於在放電間隙內出現荷電體的緣故。
光電效應光電效應中的光量子圖
光電效應光電效應中的電子圖

1899年,J·J·湯姆孫通過實驗證實該荷電體與陰極射線一樣是電子流。1899—1902年間,勒納德(P·Lenard)對光電效應進行了系統研究,並命名為光電效應。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。

2 光電效應 -實驗研究

光電效應光電效應
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,一套產生振蕩,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》發表后,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(Wilhelm Hallwachs)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。

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。

 

3 光電效應 -實驗規律以及與經典理論的矛盾

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。后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,響應時間不超過十的負九次方秒(1ns)。
4、入射光的強度隻影響光電流的強弱,即隻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 鈉  鋅 銀
 極限波長 65205400 3720 2600 1960 

與經典理論的矛盾

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,但是光是高頻震蕩的正交電磁場,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。


4 光電效應 -愛因斯坦光量子解釋

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。

光電效應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后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;

光電效應功函數

Φ是功函數,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;功函數有時又以W或A標記。

光電效應動能表達式

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。

光電效應實驗電路

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后都可馬上逸出,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只與光的強度有關而與光的頻率無關。

5 光電效應 -光量子解釋的實驗驗證

愛因斯坦用光量子理論對光電效應提出理論解釋后,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。


6 光電效應 -光電效應的衍生

(一)反常光生伏特效應:

光電效應光生伏特效應
一般光生電壓不會超過Vg=Eg/e,但某些薄膜型半導體被強白光照射會出現比Vg高的多的光生電壓,稱反常光生伏特效應。(已觀察到5000V的光生電壓)
70年代又發現光鐵電體的反常光生伏特效應(APV)可產生1000V到100000V的電壓,且只出現在晶體自發極化方向上,
光生電壓:V=(Jc/(σD+△σl))l


(二)貝克勒爾效應:
將兩個同樣的電極浸在電解液中,其中一個被光照射,則在兩電極間產生電位差,稱為貝克勒爾效應。
(有可能模仿光合作用製成高效率的太陽能電池)

(三)光子牽引效應:
當一束光子能量不足以引起電子-空穴產生的激光照射在樣本上,可在光束方向上於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。

(四)俄歇效應(1925年法國人俄歇)
用高能光子或電子從原子內層打出電子,同時產生確定能量的電子(俄歇電子),使原子、分子稱為高階離子的現象稱為俄歇效應。
應用:俄歇電子能譜儀用於表面分析,可辨別不同分子的「指紋」。

光電效應光電效應
(五)光電流效應(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。
(1):低壓氣體可以放電(約100Pa的惰性氣體)
(2):空間電荷效應與輝光放電:
放電管中由陰極到陽極存在7個不同的區域:
1:阿斯頓暗區:靠近陰極很薄的一層暗區。原因:從陰極由正離子轟擊出的二次電子動能很小,不足以激發原子發光。
2:陰極輝區:繼阿斯頓暗區后很薄的發光層。
3:陰極暗區:電子從陰極達到該區,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生在這裡。產生電離后電子很快離開,這裡形成了很強的正空間電荷,引起電場分佈畸變,管壓大部分降在此處和陰極間
以上三區為陰極位降區。
4:負輝區:是發光最強的區域。電子在負輝區產生許多激發碰撞發出明亮的輝光。
5:法拉第暗區:電子在負輝區損失能量,進入此區無足夠的能量產生激發。
6:正柱區:在此區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。
7:陽極區:可看到陽極暗區和陽極輝區。

 應用: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)、穩壓管、冷陰極閘流管等。激光器中用正柱區實現粒子束反轉,粒子束裝置中冷陰極離子源,半導體工藝中等離子體刻蝕,薄膜濺射沉積,等離子體化學沉積等。
(3):光電流效應機理:亞穩態(壽命約10^(-4)s到10^(-2)s)原子較中性原子易於電離,多產生一些激發原子,尤其是亞穩態原子,可能改變放電管中載流子濃度。
(4):光電流光譜技術應用:光電流光譜無需常規光譜儀的光學系統,從紫外、可見、紅外到微波都可產生光電流效應。光電流光譜有8個數量級的動態範圍,靈敏度高、雜訊小,是一種超靈敏的光譜技術。(1976年格林等用激光證實光電流光譜)
(5):焦希效應:當用可見光連續輻照以空氣或絕緣氣體為介質的氣體電容器時,流經電容器的低頻電流將發生變化,稱為焦希效應。
(6):馬爾特效應:當放電管陰極表面有金屬氧化膜,正離子轟擊表面時,二次電子發射作用增強,稱為馬爾特效應。


7 光電效應 -光電效應的應用

製造光電倍增管

光電效應光電效應
光電倍增管能將一次次閃光轉換成一個個放大了的電脈衝,然後送到電子線路去,記錄下來。算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應時使用以下算式: 光子能量 = 移出一個電子所需的能量 + 被發射的電子的動能 代數形式: hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常數,h = 6.63 ×10^-34 J·s, f是入射光子的頻率, φ是功函數,從原子鍵結中移出一個電子所需的最小能量, f0是光電效應發生的閥值頻率, Em是被射出的電子的最大動能, m是被發射電子的靜止質量, v是被發射電子的速度, 註:如果光子的能量(hf)不大於功函數(φ),就不會有電子射出。功函數有時又以W標記。 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。

光控制電器

光電效應光電效應
利用光電管製成的光控制電器,可以用於自動控制,如自動計數、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:當光照在光電管上時,光電管電路中產生電光流,經過放大器放大,使電磁鐵M磁化,而把銜鐵N吸住,當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,利用光電效應還可測量一些轉動物體的轉速。

光電倍增管

光電效應光電效應
利用光電效應還可以製造多種光電器件,如光電倍增管、電視攝像管、光電管、電光度計等,這裡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構,它的管內除有一個陰極K和一個陽極A外,還有若干個倍增電極K1、K2、K3、K4、K5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,當陰極受到光的照射時,就發射光電子,並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,從而激發出更多的電子,這樣,激發出的電子數不斷增加,最後后陽極收集到的電子數將比最初從陰極發射的電子數增加了很多倍(一般為105~108倍)。因而,這種管子只要受到很微弱的光照, 就能產生很大電流,它在工程、天文、軍事等方面都有重要的作用。

農業病蟲害防治

光電效應光電效應
農業蟲害的治理需要依據為害昆蟲的特性提出與環境適宜、生態兼容的技術體系和關鍵技術。為害昆蟲表現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徵,並通過視覺神經信號響應和生理光子能量需求的方式呈現出生物光電效應的作用本質。利用昆蟲的這種趨性行為誘導增益特性,一些光電誘導殺蟲燈技術以及害蟲誘導捕集技術廣泛地應用於農業蟲害的防治,具有良好的應用前景。

8 光電效應 -意義

光電效應現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現的,而這一現象卻成了突破麥克斯韋電磁理論的一個重要證據。
光電效應愛因斯坦

愛因斯坦在研究光電效應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一規律提供了自然科學證據,具有不可估量的哲學意義。這一理論還為波爾的原子理論和德布羅意物質波理論奠定了基礎。
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。
1921年,愛因斯坦因建立光量子理論並成功解釋了光電效應而獲得諾貝爾物理學獎。
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獎。
1923年,密立根「因測量基本電荷和研究光電效應」獲諾貝爾物理學獎。 
上一篇[原尾蟲]    下一篇 [皇家學會]

相關評論

同義詞:暫無同義詞