光电效应

光电效应 摘要:光电效应开启了物理学的量子时代。本文介绍了光电效应的实验规律，其与理论电磁理论的冲突，爱因斯坦的光电子在理论及光子本质，光电子模型，最后提出了爱因斯坦的光电效应方程只是统计结果解释和光电效应的科学应用。 关键词：光电效应 光电子理论 光电子模型 应用 引言 19世纪末叶，宏观物理学发展到巅峰时段，成绩斐然，在实际应用方面也是硕果累累，以致给人一种错觉，似乎物理学发展已经到了尽头。就在这时赫兹在试图实验证实电磁波存在时偶然发现了光电效应，有关光电效应的实验规律也相继得出，但是当时的经典理论却无法解释这些实验结果。就此晴朗的物理学天空就此出现了一朵“乌云”，乌云里面酝酿着物理学巨大变革的暴风骤雨，给物理学的带来了新的飞跃。大量的科学家对广电效应进行了研究，但却始终不得要领。直到1905年，爱因斯坦受普朗克量子假设的启发提出光辐射的量子性质假设(后称之为光子假说)，光电效应的实验规律才得以从理论上说明。 1.光电效应及其实验规律 光电效应即在光(包括不可见光)的照射下,从物体发射电子的现象。在光电效应中发射出来的电子,叫做光电子。光电效应得到了一些与传统理论完全不同的实验规律。 （1）对任何一种金属,都存在一极限频率。入射光的频率必须大于这个极限频率,才能产生光电效应； (2)光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大,与入射光的强度无关； (3)入射光照射到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的(一般不超过10-9s)； (4)当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度与其入射光的强度成正比[1]。 2.实验规律与经典理论相悖之处 （1）按照光的电磁说，光是电磁波，是变化的电场与变化的磁场的传播。入射光照射在金属上时，金属中得自由电子受变化电场的驱动力作用而做受迫振动，增大入射光的强度，光波的振幅增大，当电子做受迫振动的振幅足够大时，总可挣脱金属舒服而溢出，成为光电子，不应存在截止频率。 （2）按照光的电磁说，光的强度应有光波的振幅决定，因此光电子的初动能应与入射光的强度有关。 （3）按照光的电磁说，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属面。可事实是，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，不超过十的负九次方秒[1]。 3.爱因斯坦光电子理论解释 1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广，提出了光效应的光电子理论。他指出：不仅黑体和辐射场的能量交换是量子化的，而且辐射场本身就是由不连续的光量子组成，每一个光量子的与辐射场频率之间满足ε=hν，即它的能量只与光量子的频率有关，而与强度（振幅）无关。根据爱因斯坦的光量子理论，射向金属表面的光，实质上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当他照射到金属表面时，电子吸收了这一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小于电子脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。光电子的发射时间很短，不需要时间积累。此时逸出电子的动能、光子能量和逸出功之间的关系可以表示成：光子能量= 移出一个电子所需的能量（逸出功）+ 被发射的电子的动能，即hv=1/2mv2+W。 其中，发生光电效应时,电子克服金属原子核的引力逸出时,具有的动能大小不同。金属表面上的电子吸收光子后逸出时动能的最大值,称为最大初动能。电子吸收光子的能量后,可能向各个方向运动,由于路程不同,电子逃逸出来时损失的能量不同,因而它们离开金属表面时的初动能不同。只有直接从金属表面飞出来的电子的初动能最大,这时光电子克服原子核的引力所做的功叫这种金属的逸出功[2]。对于某一金属而言，逸出功一定，故入射光的频率越大，光电子的最大动能也越大，若入射光的频率比较低，使得hv=W0，这时光子的频率就是发生光电效应的截止频率。 4．光电子及光电子模型 爱因斯坦的光电效应量子观成功的解释了光电效应的现象与规律，但是，光子究竟是什么？光子与光电子的结构到底如何？光电效应中逸出的电子为什么叫光电子？ 1.光子 光子是一种与电子不同的场量子,自身不带电(即电中性),自旋角动量为η,自旋量子数等于；光子与电子及其它一切实物粒子一样,也具有质量、动量和能量,但光子只有运动质量,无静止质量,其静止质量为零,这一事实表明光子永不静止；光子属于玻色子,不遵从泡利不相容原理,处于同一状 态上的光子数目没有限制,大量光子的集合服从玻色—爱因斯坦统计；光子具有两种可能的独立偏振态,对应量子光场的两个独立偏振方向；光子不仅具有纯属于波动特征的经典效应,而且更具有纯属于量子特征的非经典效应。因此,光子具有波粒二象性,其波动属性通过波长、频率、波矢和偏振等表征,而粒子性通过质量、动量和能量等来表征,波动属性和粒子(量子)属性之间具有确定关系。 2.光电子模型 近代物理实验表明光子在强电场作用下可以转化为正负电子对，由此可假设光子由正负电子对组成。光子被湮没后，是正负电荷的分解 ，不呈现为光子，但仍有能量的存在，在一定条件下，正负电荷可重新合成产生光子，或光子可再一次被湮没，分裂为正负电荷。因此可以看成光电效应中单光子与电子的作用被电子吸收，实质是电子的负电荷与光子（正负电荷对）中的正电荷之间的一种强相互作用，从而使光子与电子结合为一种高能的强关联耦合体，把这种光子、电子的强关联耦合体成为光电子[3]。 5.爱因斯坦所给乃统计结果 在光子假说下，爱因斯坦用关系式hv=1/2mv2m+W对光电效应的实验结果进行理论说明，取得了较好的效果，但后来发展起来的量子理论可以看出，此式中的各项均为统计结果。hv乃光子能。事实上，真正的单色光在实际中是不存在的，总有一定谱宽。当然从理论上可以如此分析，但爱因斯坦采用了能量守恒就意味着仅考虑了金属对光的共振吸收告，1/2mv2乃光电子动能。但量子理论的测不准关系告诉我们，动能和势能不可能同时测准。象讨论产生光电子几率所叙述的那样，对末态的动能求平均才能得到光电子的动能。显然，这里的动能应为统计平均值。W为金属脱出功(功函数)。它的理论计算在一般的固体物理教材中均有论述。导带中的电子相当于处于势阱中的粒子，考虑电子的费米分布，通过计算发射电流就可得出金属相应的功函数。也就是说，金属脱出功W是量子统计的结果[4]。 6．光电效应应用 利用光电效应还可以制造多种光电器件，如光控制器、光电倍增管、太阳能电池，电视摄像管、光电管、电光度计等。 光控制器：利用光电管制成的光控制电器，可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等等，其工作原理是：当光照在光电管上时，光电管电路中产生电光流，经过放大器放大，使电磁铁M磁化，而把衔铁N吸住，当光电管上没有光照时，光电管电路中没有电流，电磁铁M就自动控制，利用光电效应还可测量一些转动物体的转速。 光电倍增管：管内除有一个阴极K和一个阳极A外，还有若干个倍增电极K1.K2.K3.K4.K5等。使用时不但要在阴极和阳极之间加上电压，各倍增电极也要加上电压，使阴极电势最低，各个倍增电极的电势依次升高，阳极电势最高，这样，相邻两个电极之间都有加速电场，当阴极受到光的照射时，就发射光电子，并在加速电场的作用下，以较大的动能撞击到第一个倍增电极上，光电子能从这个倍增电极上激发出较多的电子，这些电子在电场的作用下，又撞击到第二个倍增电极上，从而激发出更多的电子，这样，激发出的电子数不断增加，最后阳极收集到的电子数将比最初从阴极发射的电子数增加了很多倍（一般为105～108倍）。因而，这种管子只要受到很微弱的光照，就能产生很大电流，它在工程、天文、军事等方面都有重要的作用。 太阳能电池：硅太阳能电池是将太阳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。硅光电池可组成太阳能手表、太阳能计算器。它还被广泛用于人造卫星、通信系统、电视机、收录机、照明等其他领域[5]。 参考文献： [1].杨兵初.大学物理学.下册.北京：高等教育出版社.2005.7 [2].袁振卓.光电效应及光电效应方程的应用[J].物理教学探讨，2008（4）:28-30 [3].徐敏.光电效应的分析与研究[J].安康师专学报，2003（9）:38-40 [4].张秀乔.光电效应的理论解释[J].物理通报，1999（7）:17-18 [5].郑冬梅,闫迎利.光电效应及光电器件的应用[J].现代物理知识，1998（2）：12-13