雷火平台,雷火官网app下载,赢咖7极悦

來源：互聯網

光電效應（Photoelectric Effect）是指當一定頻率以上的光照射到金屬或其他某些材料（材料中存在可被激發并能逸出表面的自由電子或弱束縛電子）的表面時，金屬原子吸收光子能量并釋放出電子的現象。光電效應分為外光電效應和內光電效應。

光電效應由德國物理學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）于1887年發現，威利斯·蘭姆（Willis Lamb）與馬蘭·斯考立（Marlan Scully）于1969年使用半經典方法證明光電效應，該方法將電子的行為量子化，又將光視為純粹經典電磁波，完全不考慮光是由光子組成的概念。直到1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（Einstein）提出光量子假說才準確解釋了光電效應，他也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。

利用光電效應，可得到物質的光電子（能）譜，用以研究物質的電子能級、光電特性及表面物理和化學特性；可制作光電管、光電倍增管、光敏二極管、光敏三極管、光電池等光電元器件與光電式傳感器。光電效應直接推動了量子論的發展，成為現代物理的基石之一。

定義

光電效應是光照射到物質上，引起物質的電性質發生變化的一類光致電變現象的統稱。光電效應分為外光電效應和內光電效應。

外光電效應

外光電效應（也稱光電發射效應）是物質被光的照射，當入射的光子能量足夠大時，光子與物質的電子相互作用，致使電子逸出物質表面的現象。

內光電效應

內光電效應是被光激發所產生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質內部運動，使物質的電導率發生變化或產生光生電動勢的現象。內光電效應可分為光電導效應和光生伏特效應（光伏效應）兩類。

光電導效應

光電導效應是半導體材料在被光線的照射時，吸收單射光子能量，當光子能量大于或等于半導體的材料的禁帶寬度時，激發出電子-空穴對，使得載流子濃度增加，半導體的導電能力增強，阻值減低的現象。

光生伏特效應

光生伏特效應是半導體PN結在光照射時產生電動勢的現象。光生伏特效應通常分為結光電效應與側向光電效應兩類，光線照射PN結區時，便在結區兩部分之間引起光生電動勢稱為結光電效應；半導體PN結較靈敏面局部受光照時，由載流子濃度梯度產生電動勢稱為側向光電效應。

效應機理

理論解釋

根據量子理論，光是一種有一定頻率的電磁波，它的傳播和吸收不是連續的；而是一份一份的，這一份額叫做光量子或稱為光子，每個光子都有一定的能量，其值；其中表示輻射頻率，為普朗克常數，常數值等于6.25×10-34J·s。當具有能量的光子，被物質(金屬或半導體)吸收后會激發出自由電子，當電子的能量足以克服表面勢壘并逸出物質的表面時，就會產生光電子發射，逸出電子在外電場作用下形成光電子流。

光由稱為光子或光量子的微小能量包組成。每個能量包都攜帶能量與頻率成正比相應的電磁波。比例常數已被稱為普朗克常數。在通過吸收光子能量而從不同的原子結合中移除的電子的動能范圍內，最大動能是：

，是電子從材料表面逸出所需的最小能量。它稱為逸出功，有時用或者表示，逸出功則光電子的最大動能的為動能為正，且是光電效應發生所必需的，頻率是給定材料的閾值頻率。高于該頻率，光電子的最大動能以及停止電壓（為基本電荷，是一個電子所帶的電量）隨頻率線性上升，并且不依賴于光子數量和入射光的強度。

光電子發射的三步模型

斯派塞（Spicer）在1958年提出了光電發射的三步模型理論，通過對光電發射的三步物理過程的唯象理論分析獲得了光電子發射的三步模型，而后經過了不斷的完善和發展成為解釋各種光電子發射現象的基本框架理論。三步模型將光電子發射分為三個步驟：

1.材料內部電子被入射光子激發到高能態，這是體內的電子與入射的光子相互作用的結果。

2.受激電子向表面擴散受到散射而損失能量，第二步過程是一個隨機過程，每一個受激電子在其向表面遷移的軌道各不相同。

3.受激電子克服材料表面勢壘逸出。

固體發射模型

有序結晶固體的電子性質由電子態相對于能量和動量的分布決定，即固體的電子能帶結構。固體光發射的理論模型表明，這種分布在很大程度上保留在光電效應中。紫外和軟X射線激發的唯象學三步模型將效應分解為以下步驟：

研究歷史

光電效應首先由德國物理學家海因里?！ず掌?/a>于1887年發現，菲利普·萊納德（Philipp Lenard）用實驗發現了光電效應的重要規律。阿爾伯特·愛因斯坦則提出了正確的理論機制。

十九世紀

1839年，法國物理學家A·E·貝克勒爾（Alexandre Becquerel），意外地發現，當兩片金屬浸入溶液構成的伏打電池，受到陽光照射時會產生額外的伏打電勢（光生伏特）。1873年，威洛比·史密斯（Willoughby Smith）在研究布設水下電纜的不間斷檢測方法時，發現具有光電導性，硒棒的導電能力在光照條件下顯著增加。

發現光電效應

1887年，德國物理學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）在做證實詹姆斯·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，接收電磁波的電極受到紫外線的照射時火花放電更容易產生。赫茲發表論文《紫外線對放電的影響》（《On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators》）對這一發現進行了說明，引起了許多物理學家的關注。1888年，德國物理學家霍爾瓦希(Hallwachs)和俄羅斯的斯托列托夫(CrteTos)，他們各自獨立地發現負電極在光照射下(特別是紫外線照射下)會放出帶負電的粒子。同年，德國物理學家埃爾斯特(Elster)和蓋特爾(Geitel)指出有些金屬(如鉀、鈉、鋅、鋁等)在紫外光或可見光作用下有光電效應產生，他們認為，光電效應的帶電粒子是以一定的速度從金屬中逃逸而出。

1888至1891年間，俄羅斯物理學家史托勒托夫（Alexander Stoletov）完成了一些關于光電效應的實驗與分析，他設計出一套實驗裝置用于光電效應的定量分析，史托勒托夫發現，光的輻照度與感應光電流的有直接比例。史托勒托夫和里吉還共同研究了光電流與氣壓之間的關系，他們發現，氣壓越低，光電流變越大，直到最優氣壓為止；低于這最優氣壓，則氣壓越低，光電流變越小。

發現電子

1897年，威廉·湯姆森（Thomson·Joseph John）在大不列顛島皇家研究院（Royal Institution of Great Britain）的演講中表示，他通過觀察在威廉·克魯克斯（Sir William Crookes）管里的陰極射線所造成的螢光輻照度，發現陰極射線在空氣中透射的能力遠超一般原子尺寸的粒子，主張陰極射線是由帶負電荷的粒子組成。此后不久，湯姆孫通過觀察陰極射線因電場與磁場作用而產生的偏轉測得了陰極射線粒子的荷質比。1899年，湯姆孫用紫外線照射鋅金屬，又測得發射粒子的荷質比為，與之前的實驗中測得的陰極射線粒子的數值大致符合，他推斷這兩種粒子是同一種粒子，即電子。

二十世紀

馬克斯·普朗克量子相關

1900年，德國理論物理學家普朗克（Max Planck）在柏林物理學學會上發表了題為《論正常光譜的能量分布定律的理論》（《?On the?law?of?distribution?of?energy?in the?normal spectrum》）的論文，正式提出普朗克量子假說，認為電磁場和物質的能量交換以間斷的形式(量子)實現。1902年，德國實驗物理學家菲利普·萊納德（Philipp Lenard）發現，金屬光電效應逸出電子的能量與照射在金屬上的光強無關而與入射光的顏色（即頻率）有關。

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）發表論文《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》（《On a Heuristic Viewpoint Concerning the Emission and Transformation of Light》），在馬克斯·普朗克量子假說的基礎上提出了光量子假說，認為光(電磁輻射)是由光量子組成的，每個光量子的能量與輻射頻率的關系是（為普朗克常數），以此對光電效應作出解釋，入射的光子被金屬中的電子吸收，電子獲得了大小為的。電子把一部分能量用于脫離金屬表面時所需要的逸出功，另一部分則成為逸出電子的初動能，并給出光電效應方程。

1921年，阿爾伯特·愛因斯坦因對光電效應的解釋及其他理論物理學的成就而獲得諾貝爾物理學獎。

光電效應方程的驗證

1906年，美國物理學家羅伯特·密立根(R. A. Millikan)，用真空管進行實驗，歷經十余年的工作，精確地驗證了阿爾伯特·愛因斯坦的光電效應方程，并首次用光電效應法測得了與理論值基本吻合的普朗克常數，于1916年發表了實驗結果。1923年，密立根因完成了這一驗證實驗并獲諾貝爾物理學獎。

實驗相關

在一個真空的玻璃或石英封閉容器內，裝置了金屬發射極與集電極，將兩個電極連結至可變電源兩端，用可變電源調整發射極與集電極之間的電壓，用電流表測量兩個電極之間的電流。

截止電壓（遏制電壓）

對發生光電效應的材料施加加速電壓將產生光電流，施加與加速電壓相反的反向電壓時光電流將減小，當光電流強度減小到零時所施加的反向電壓稱為遏止電壓。

電壓表與電流表讀取的數值，可以繪得上圖所示的曲線圖。按照曲線圖分析，給定適當光頻率，給定輻照度，正電壓越大，使得發射極的電勢越低于集電極的電勢，則越多從發射極發射出的光電子會因電場力被吸引至集電極，因此電流跟著增大，直到所有發射出來的光電子都被聚集于集電極為止，這時，電流會達到飽和值，稱為“飽和電流” ，再增加正電壓也不會增加電流。

動能相關

光由稱為光子的微小能量束或能量包組成，當光子達到或超過金屬的截止頻率時，電子才會被光子激發，光子達到截止頻率時電子所吸收的能量是使電子能夠逸出金屬表面的最小能量，稱為逸出功，，為普朗克常數，是材料的截止頻率。被光子激發的電子會消耗能量來克服逸出功，若電子所吸收的能量能夠克服逸出功后還有剩余能量，這些剩余能量則會成為電子在被發射后的最大動能，，為光子的頻率。

根據經典物理學，入射光束是一種電磁波，在金屬表面的電子感受到電磁波的電場力，會跟著電磁波振動。假若電磁波的振輻越大，則電子也會越激烈、更具能量地振動，因此，發射出的光電子也會擁有更大的動能。

底限頻率

對于某金屬（例如鋅金屬）做實驗，將測得的最大動能與光頻率之間的關系數據分析后，可知，不論入射光束的輻照度為何，光頻率必須高過某最低頻率，否則不會出現光電效應，這最低頻率是這金屬的特征頻率，稱為“紅限頻率”，對應的波長稱為“紅限波長”。

偏振方向

假設照射平面偏振光束于金屬表面，則光電子的發射方向分布的高峰是入射光束的偏振方向（電場方向）。

實驗規律及結論

通過實驗并結合阿爾伯特·愛因斯坦方程可得出以下規律和結論：

1．金屬有產生光電效應的截止頻率，當照射光的頻率低于截止頻率時不會發生產生光電效應，不同的金屬材料的截止頻率不同。

2．入射光的強弱只影響光電子形成光電流的大小。

3．光電效應是瞬間發生的，時間不超過10-9s。

3光電子脫出物體時的初速度或者初動能和照射光的頻率有關，而和入射光的強弱無關。

4.單位時間內從金屬表面逸出的光電子數與入射光的強度成正比。

研究進展

2019年，中國北京大學地球與空間科學學院魯安懷、李艷和丁瑞以及物理學院劉開輝與美國吉尼亞理工（Virginia Tech）大學的邁克爾·霍切拉（Michael F. Hochella Jr.）等合作，發現直接暴露在太陽光下的巖石/土壤顆粒體表面的鐵錳（氫氧）氧化物”礦物膜“具有光電效應，證實太陽光也可作用于地表礦物，產生能量的吸收與轉化現象而發生非經典光合作用。

2022年，英國劍橋大學卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory）的研究人員與蘭卡斯特大學（Lancaster University）以及德國奧格斯堡大學（Universitat Augsburg）的研究者合作，在用太赫茲波照射二維電子系統時發現了面內光電效應（in-plane photoelectric effect），面內光電效應能夠發生在低頻工作頻率下（太赫茲頻段）存在于具有高度導電特性的二維電子氣系統中的量子光激發過程。

應用

光電子（能）譜

由光電效應可得到物質的光電子（能）譜，物質的電子在吸收波長足夠短的電磁波后，從其所在的能級脫離，其動能大小決定于入射電磁波的能量與所在能級的能量之差，電子獲得的最大動能與入射光頻成正比，而產生的光電流與入射光強成正比，但在超過一定長波限后不再有光電流。用光電元件接收能量已知的單色輻射，測出所產生光電子的多少及速度分布即為光電子能譜。根據光電子能譜可研究物質的電子能級、光電特性及表面物理和化學特性。X光、紫外光、可見光、紅外光等均有各自相應的光電子能譜。

光電元器件與光電式傳感器

光電元件的理論基礎是光電效應，光電式傳感器的原理是光電轉換元件的光電效應?；谕夤怆娦墓怆娫泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿龋趦裙怆娦挠泄饷綦娮?、光敏二極管、光敏三極管等，光電池則基于光生伏特效應。

光電管

光電管是基于外光電效應制成的光電器件，可使光信號轉換成電信號，分為真空光電管和充氣光電管兩類。這兩類光電管結構相似，由一個陰極和一個陽極構成，并且密封存在一只真空玻璃管內，陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發射材料。光電管靈敏度較高但具有穩定性較差、惰性大、溫度影響大以及容易衰老等一系列缺點。

光電倍增管

光電倍增管是基于外光電效應和電子光學的光電器件，具有極高靈敏度和超快時間響應的光敏電真空器件，可以工作在紫外、可見和近紅外區的光譜區。光電倍增管常用于極端微弱光信號的探測，如天文觀測、夜視儀、核輻射探測、地質探測、光譜分析儀、宇宙射線探測儀、激光雷達等。

光敏電阻

光敏電阻基于內光電效應制成，由玻璃基片、光敏層、電極等部分組成，在半導體光敏材料兩端安裝上引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里，借助光敏材料的內光電效應實現電阻大小的調節，無光照時呈現出高電阻狀態，當有光照時，呈現出高電阻狀態。光敏電阻器對光線敏感且體積較小。

光敏二極管

光敏二極管基于內光電效應制成，裝在透明玻璃外殼中，PN 結位于管頂，可直接受到光照射。在沒有光照射時，光敏二極管的反向電阻很大，反向電流(也叫暗電流)很小，這時光敏二極管處于截止狀態；當有光照射時，光敏二極管處于導通狀態，電流與光照強度正相關。

光敏三極管

光敏三極管基于內光電效應制成，有PNP型和NPN型兩種，有兩個PN結。當光敏三極管的集電極加上正電壓時，基極開路，集電結處于反向偏置狀態。當光線照在發射結時，基極相對發射極電位升高，這樣便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，集電極電流是光電流的數倍。

光電池

光電池基于光生伏特效應制成，是一種自發電型的光電傳感器，其結構如圖：

太陽能板可用于檢測光的強弱及能引起光強變化的其他非電物理量。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、磷化鎵光電池等。其中，硅光電池具有穩定性好、光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高、耐高溫等優點，得到了廣泛的應用。硒光電池的光譜峰值位置在人眼的視覺范圍內，多用于分析儀器、測量儀表。

農業

光電分選機

光電分選機是根據物料顏色及其明暗的差異、利用光電效應進行分選的機器，當物料通過檢測點時，物料的反射光經透鏡輻射到光電管上，與預設的作為基準的背景的反射光相比較，若兩者有差異，便引起電信號的變化，經放大、鑒別、轉換后傳送到分離執行機構，剔除掉不合要求的物料。光電分選機的適應范圍廣、分辨靈敏度與準確度高，可以完成其它清選機具難完成的分選，但造價較高。

其他

夜視儀

夜視儀是一種在夜間或低亮度條件下，將不可見輻射加以轉變或將微弱的夜天光增強，成為人眼可以感受的可見光的儀器。20世紀30年代初，美國工程師法恩斯沃思（Philo Taylor Farnsworth）提出了光電圖像轉換原理，為近代夜視技術提供了理論基礎。為了產生光電效應，當光子被電子吸收后，必須有足夠能量將電子從物質的導帶移至真空能級（vacuum level），這需要用到額外能量來克服光陽工業股份有限公司極的電子親合勢，除了禁帶以外，這是另外一種阻礙光電子發射的勢壘，這在能帶間隙模型（band gap model）里有詳細說明。有些像砷化鎵一類的物質，其有效電子親合勢低于導帶的能級。對于這種物質，移動到導帶的電子有足夠能量被發射出來，成為光電子。這種物質可以制成很厚的薄膜來吸收光子。這種物質稱為“負電子親合勢”物質。

月球塵

陽光照射到月球表面與月球塵，會因為光電效應，促使它們帶有正電荷，因此月球塵會被月球表面排斥，靜電懸浮（electrostatic levitation）于月球表面上方幾米高區域，懸浮在月球空中好似“大塵層”，從遠處觀察，可以看到一層薄薄的灰霾，迢遙的月球輪廓因此變得模糊不清，落日后，依舊可以在地平線上方看到暗淡的曙暮光。這現象最先被1960年代測量員計劃拍攝存證。根據“動力學噴泉模型”（dynamic fountain model），在獲得電荷與釋出電荷的循環過程中，月球塵粒子像噴泉般地移動。

影響及意義

光電效應現象起初只是赫茲在做證實詹姆斯·麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時的偶然發現，后來卻成為突破麥克斯韋電磁理論的一個重要證據。阿爾伯特·愛因斯坦在研究光電效應時給出的光量子解釋拓寬了馬克斯·普朗克的量子理論，證明了光輻射是量子化的，為唯物辯證法的對立統一規律提供了自然科學證據。光電效應的光量子解釋為波爾的原子理論和路易·德布羅意物質波理論奠定了基礎。光電效應現象的發現，幫助學者們深入地認識光的波粒二象性，給量子理論以直觀、明確的論證。

類似現象

康普頓（Compton）效應

射線在物質中的散射譜線中除了波長和原射線相同的成分以外，還有一些波長較長的成分，兩者差值的大小隨著散射角的大小而變，這種射線波長改變的散射稱為約翰·康普頓效應?？灯疹D效應證明了光子假設的正確性，證實了在微觀粒子的相互作用過程中，也嚴格遵守著能量守恒和動量守恒。光電效應和康普頓效應等實驗現象，證實了光的波粒二象性。光在傳輸過程中，波動性表現較為明顯；而光和物質作用時，粒子性表現比較明顯。

參考資料 >

光電效應實驗.上海交通大學.2024-02-28

Heinrich Hertz.britannica.2024-01-08

光電效應.中國大百科全書.2024-01-08

The photoelectric effect without photons..nasa .2024-01-08