光電效應簡介

光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象。在高于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于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。

光電效應有哪些規律

a.僅當照射物體的光頻率不小于某個確定值時，物體才能發出光電子，這個頻率螄叫做極限頻率（或叫做截止頻率），相應的波長入。叫做極限波長。不同物質的極限頻率”

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.產生光電流的過程非常快，一般不超過10^-9秒;停止用光照射，光電流也就立即停止。這表明，光電效應是瞬時的。

d.產生光電流的強度和照射發光強度成正比，且存在飽和電流。

光電效應有哪幾種

光電效應有外光電效應、內光電效應兩種。內光電效應中又分為光電導效應和光生伏特效應。基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管等；內光電效應中，基于光電導效應的光電元件有光敏電阻；基于光生伏特效應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。

光電效應及其實驗規律

對于光電效應這一節，重點在于理解光電效應的含義及其實驗裝置和規律。下面就這個實驗的裝置和實驗規律加以剖析。

光電效應的含義：

在光的照射下物體發射電子的現象，叫做光電效應，發射出來的電子叫做光電子。

研究光電效應的實驗裝置如圖1所示，陰極K和陽極A封閉在真空管內，在兩極之間加一可變電壓，用以加速或阻擋釋放出來的電子。光通過小窗照到陰極K上，在光的作用下，電子從電極K逸出，并受電場加速而形成電流，這種電流稱為光電流。

實驗結果發現，光和光電流之間有一定的依存關系。

（1）在入射光的強度與頻率不變的情況下，電流——電壓的實驗曲線如圖2所示。曲線表明，當加速電壓U增加到一定值時，光電流達到飽和值，這是因為單位時間內從陰極K射出的光電子全部到達陽極A。則飽和電流。

另一方面，當加速電壓逐漸減小到零，并逐漸變負時（這時電場力對于光電子來說是阻力），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能。所以盡管有電場力阻礙它運動，仍有部分初動能比較大的光電子到達電極A。但由于單位時間內到達陽極A的光電子數減少，所以光電流就隨著減小。隨著反向電壓越來越大，單位時間內到達陽極A的光電子數就越來越少，光電流也就越來越小。但是當反向電壓增大到等于時，就能阻止所有的光電子飛向電極A，光電流降為零，這個電壓叫遏止電壓。它使具有最大初速度的光電子也不能到達電極A。這樣我們就能根據遏止電壓來確定電子的最大初速度和最大初動能，即可得：，式中e為電子的電荷。

（2）在用相同頻率不同強度的光去照射電極K時，得到電流—電壓的曲線如圖3所示。它顯示出對于不同強度的光，是相同的，這說明同一種頻率，不同強度的光所產生的光電子的最大初動能是相同的。但光電流強度不同，這是因為入射光的強度是由單位時間到達金屬表面的光子數目決定的，而被擊中的光電子（亦即吸收了光子能量的電子）數又與光子數目成正比，這樣光的強度越大，被擊出的光電子數就越多，則形成的光電流就越強。即當入射光的頻率一定時，光電流的強度與入射光的強度成正比。

（3）用不同頻率的光去照射電極K時，實驗的結果是：頻率愈高，愈大，說明了光電子的最大初動能與光的頻率有關。并且光的頻率v與成直線關系，如圖4所示。頻率低于的光，不論強度多大，都不能產生光電子，因此稱為極限頻率。對于不同的材料極限頻率不同。

總結所有的實驗結果，光電效應的規律就可歸納為如下幾點：

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度成正比，也就是單位時間內被擊出的光電子數與入射光的強度成正比。

②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，而只與入射光的頻率有關。頻率越高，光電子的能量就越大。

③入射光的頻率低于的光，無論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電子發射。

④光的照射和光電子的釋放幾乎是同時的，一般不超過秒。

為了解釋光電效應的所有實驗結果，1905年愛因斯坦推廣了普朗克關于能量子的概念，提出了光子說，光子說能夠很好地解釋光電效應。把光子的概念應用于光電效應時，愛因斯坦認為一個光子的能量是傳遞給金屬中的單個電子的。電子吸收一個光子后，把能量的一部分用來掙脫金屬對它的束縛，余下的一部分就變成電子離開金屬表面后的動能，按能量守恒和轉化定律應有：

上式即為愛因斯坦光電效應方程，其中為光電子的動能，W為光電子逸出金屬表面所需的最小能量，稱為金屬的逸出功。不同的金屬逸出功是不一樣的。

光電效應方程的圖象如圖5所示，即為該種金屬的極限頻率。

光電效應的應用領域

1、制造光電倍增管

算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預期），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。

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。

3、光電倍增管

利用光電效應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、電光度計等，這里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，并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，最后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。

4、農業病蟲害防治

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征，并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于農業蟲害的防治，具有良好的應用前景。