光电效应及其应用

目录摘 要 1Abstract11 光电效应的概念 11.1 光电导效应21.2 光生伏特效应22 光电效应的实验规律 23 光电效应和经典理论的矛盾处 34 光电效应的科学解释 35 光电效应的物理意义 36 光电效应在近代技术中的应用 46.1 常用的光电器件46.2 常用光电器件的检测5结语 6参考文献 6光电效应及其应用摘 要: 本文介绍了光电效应的发现及发展，简要叙述了爱因斯坦的光量子假 说对光电效应的解释及通过实验来验证了爱因斯坦的光量子假说对光电效应解 释的正确性。并介绍了光电效应在现代科学技术中的应用。关键词:光电效应；光量子；频率；相对论The photoelectric effect and its applicationAbsract：This passage introduce the discovery and development of photo-electric effect, it brief introduce Einsteins light quanta hypothesiss contribute to explaining photo-electric effect and theory physics ，it also introduce the application of photo-electric effect in modern scientific technology.Key words：Photoelectric effect；Light quantum；Frequency；Theory of Relativity引言光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被 人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。光照射到某些物质上，有电子从物质表面发射出来的现象称之为光电效 应(Photoelectric effect )。这一现象最早是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦 电磁理论时偶然发现的。之后霍尔瓦克斯、JJ汤姆孙、勒纳德分别对这种现 象进行了系统研究，命名为光电效应，并得出一些实验规律。1905年，爱因 斯坦在关于光的产生和转化的一个启发性观点一文中，用光量子理论对 光电效应进行了全面的解释。1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实 验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论，使其逐渐地被人 们所接受。1光电效应的概念光电效应分为：外光电效应和内光电效应。光电效应中多数金属中的光电子 只能从靠近金属表面内的浅层(小于pm)逸出，不能从金属内深层逸出的结论。 光波能量进入金属表面后不到1 pm的距离就基本被吸收完了 1外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现 象。内光电效应是被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴)仍在物质内部运 动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。分为光电导效应和光生伏 特效应。11光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料 电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料， 且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体 的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。1.2光生伏特效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象如图1。基于该效应的器件 有光电池和光敏二极管、三极管。基于外光电效应的电子元件有光电管、光电 倍增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电 子线路去，记录下来。2光电效应的实验规律(1) 每一种金属在产生光电效应是都存在极限频率(或称截止频率)，即照射 光的频率不能低于某一临界值。只有当光的频率大于一定值时，才有光电子发射 出来；如果入射光的频率低于极限频率时，不论光的强度多大，照射时间多长， 都无法使电子逸出。(2) 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。(3) 光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光 的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光 电流。响应时间不超过10 9 s。(4) 入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积 是逸出的光电子数目。在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即 一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。3 光电效应和经典理论的矛盾处 在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。根据经典电磁理论， 光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电 磁波的频率无关。而实验规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。第 三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸 出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。所有这些实际上已经 曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。4 光电效应的科学解释爱因斯坦为了解释光电效应,在1905 年发表了题为关于光的产生和转化的 一个启发性观点的论文,该文提出了光量子-光子假说,其内容是:当光束在和物 质相互作用时,其能流并不像波动理论所想象的那样连续分布,而是集中在一些 叫做光子（或光量子）的粒子上。当光束照射在金属上时,光子一个个地打在它的 表面。金属中的电子要么吸收一个光子，要么完全不吸收4而光子的能量E正 比于其频率v ,即E 二 hv光电效应满足爱因斯坦方程hv = 1/2mv 2 + A（2）0其中h为普朗克常数、V0是光电子逸出金属表面的速度、A是金属的脱出功（或 称功函数）。5 光电效应的物理意义 光电效应现象是赫兹在做验证麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时偶然 发现的，而这一现象却成了突破麦克斯韦电磁理论的一个重要证据。爱因斯坦在研究光电效应时给出的光量子解释不仅推广了普朗克的量子理 论，证明波粒二象性不只是能量才具有，光辐射本身也是量子化的，同时为唯物 辩证法的对立统一规律提供了自然科学证据，具有不可估量的哲学意义。这一理 论还为波尔的原子理论和德布罗意物质波理论奠定了基础。密立根的定量实验研究不仅从实验角度为光量子理论进行了证明，同时也为 波尔原子理论提供了证据。1921 年，爱因斯坦因建立光量子理论并成功解释了光电效应而获得诺贝尔物理学奖。1922 年，玻尔原子理论也因密立根证实了光量子理论而获得了实验支持， 从而获得了诺贝尔物理学奖。1923 年，密立根“因测量基本电荷和研究光电效应”获诺贝尔物理学奖。6 光电效应在近代技术中的应用 我们把将光信号（或光能）转变成电信号（或电能）的器件叫光电器件。现 已有光敏管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏组件、色敏器件、光敏 可控硅器件、光耦合器、光电池等光电器件。这些器件已被广泛应用于生产、生 活、军事等领域。下面着重介绍几种光电器件的应用及其检测方法。6.1 常用的光电器件6.1.1 光敏管光敏管包括光电管、光电倍增管和象管三类。光电管和光电倍增管都是辐射 光的接收器件，完成光信号转变电信号的功能5。光电管广泛应用于光电自动装 置，传真电报、电影放映机、录音机等设备中。光电倍增管应用于电影放映机的 还声系统中。象管应用于摄影机中。6.1.2 光敏电阻器 光敏电阻器是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的电子元件。当某种物 质受到光的照射时，载流子浓度增加，从而增加了电导率，这就是光电导效应。 这种附加的电导叫光电导。根据光敏电阻器的光谱特性，光敏电阻器可分为：（1） 紫外光敏电阻器，用于探测紫外线；（2）可见光敏电阻器，主要用于自动控制、 光电跟踪以及照相机的自动暴光等场合；（3）红外光敏电阻器，主要用于导弹 制导、光报警装置、人体病变探测、红外通信等工作中6。6.1.3 光敏二极管、三极管 硅光敏管有硅光敏二极管、硅光敏三极管两类。硅光敏管的基本结构是 PN结，当硅光敏二极管不受光照时，通过PN结的仅是由环境温度产生的微小暗电 流及加反向偏压所产生的漏电流；只有受到光照时，光的能量变成电能，才产生 光电流。光敏三极管则是光信号从基极输入，且可以通过调节偏置来得到所需要 的工作状态和放大特性。6.1.4 光电耦合器光电耦合器是以光为媒介、用来传输电信号的器件。通常是把发光器（可见 光 LED 或红外光 LED ）与受光器（光电半导体管）封装在同一管壳内。当输入 端加电信号时发光器发出光线，受光器接收光照后就产生光电流，由输出端引出， 从而实现了“电-光-电”的转换。光电耦合器主要应用于稳压电源、光电开关、 限幅器及各种逻辑电路中。用以代替继电器等装置7。6.1.5 太阳能电池硅太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的一种半导体器件。硅光电池等 效于一个PN结，在光照条件下PN结两端能产生电动势。接上负载后就形成电流。 硅太阳能电源系统利用的是取之不尽的太阳能。硅光电池能组成太阳能手 表、太阳能计算器。另外它已被广泛应用于人造卫星、通信系统、电视机、收录 机、照明等其它领域。6.2常用光电器件的检测6.2.1 光敏电阻的检测光敏电阻是用硫化镉（CdS ）或硒化镉（CdSe）材料制成的特殊电阻器，它 对光线非常敏感。无光线照射时呈高阻态，随着照度的增高，电阻值迅速降低8。 对于光敏电阻，在没有光照（E=0）时器件的电阻称为暗阻，一般为一百千欧至 几十兆欧。在规定的照度下，电阻值降成几千欧，甚至几百欧，称之为亮阻。显 然，暗阻愈高愈好，亮阻越底越好。检查光敏电阻时可选择万用表的RxlK档，表笔分别与管脚接通。用黑纸遮 住光敏电阻时，电阻读数接近无穷大。有光照时电阻减小。也可以将器件管帽对 准入射光线，用小纸片在其上面晃动，改变光敏电阻的照度，万用表的指针将随 接收光线的强弱而左右摆动。假若万用表的指针始终停在无穷大处，说明光敏材 料损坏或内部引线开路。6.2.2 光电耦合器的检测用万用表检测光电耦合器，首先用RxlOO （或RxlK）档测量发射管的正、 反向电阻，检查单向导电性；其次分别测量接收管的集电结与发射结的正、反向 电阻，均应单向导电，然后测穿透电流应等于零；最后用RxlOK档检查发射管 与接收管的绝缘电阻应为无穷大9。6.2.3 硅光电池的检测用万用表检查硅光电池有三种方法：（1）测量电阻：将万用表拨至RXlk 档红表笔接+，黑表笔接-。当硅光电池置于暗处时，电阻值呈无穷大；当它靠近 白炽灯时，电阻值迅速减小。注意，因硅光电池是电源，故表笔不得接反，否则 表针将打表。（2）测量开路电压：将万用表拨至适当的直流电压档（档位可由 被测对象的参数来定，不知道参数情况下，可选择较高档位），红表笔接+，黑 表笔接-，以白炽灯作光源，当两者之间距离变化时，开路电压值也随之变化10。 （3）测量短路电流：将万用表拨至适当的直流电流档（档位可由被测对象的参 数来定，不知道参数情况下，可选择较高档位），红表笔接+，黑表笔接-，以白 炽灯作光源，当两者之间距离变化时，短路电流值也随之变化。在日光下测短路 电流时间应尽量短，以免硅光电池发热损坏。结语光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部 的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹 于 1887 年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入 研究对发展量子理论起了根本性的作用。同时光电效应可以把光信号转变为电信 号，动作迅速灵敏，因此利用光电效应制作的光电器件在工农业生产、科学技术 和文化生活领域内得到了广泛的应用。参考文献1 王先明，朱佩平，艾尔肯斯迪克，查新未光电效应中金属与光电子的分析J.大学物 理,2007， 26（3）：36-40.2 周世勋量子力学教程M.北京:高等教育出版社，2009： 2-3.3 姚启钧光学教程M.北京:高等教育出版社，2008： 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