光电效应
什么是光电效应介绍光电效应的应用
什么是光电效应介绍光电效应的应用知识点：什么是光电效应及其应用光电效应是物质在光照射下发生的一种物理现象。
当光子（光的粒子）的能量大于或等于物质表面电子所需的最小能量时，电子会被激发并从物质表面逸出。
这个现象被称为光电效应。
光电效应的基本原理可以归结为以下几个关键点：1.光的波动性：光电效应揭示了光的粒子性。
光既可以看作波动，也可以看作由光子组成的粒子流。
2.光子能量：光子的能量与其频率成正比，与光的强度无关。
当光子的能量大于或等于电子的逸出功时，光电效应会发生。
3.逸出功：逸出功是指电子从物质表面逸出所需的最小能量。
不同物质的逸出功不同，因此对光的敏感度也不同。
4.光电效应方程：爱因斯坦提出了光电效应方程，描述了光子能量、电子逸出功和电子动能之间的关系。
方程为E = hν - W，其中 E 表示电子的动能，h 表示普朗克常数，ν 表示光的频率，W 表示逸出功。
光电效应的应用非常广泛，以下是一些重要的应用领域：1.太阳能电池：太阳能电池利用光电效应将光能转换为电能，为人类提供了清洁、可再生能源。
2.光电器件：光电器件如光敏电阻、光敏二极管等，利用光电效应实现光信号与电信号的转换。
3.激光技术：激光是一种特殊的光，具有高度的相干性和方向性。
激光技术在医疗、通信、测量等领域发挥着重要作用。
4.光电探测器：光电探测器可以将光信号转换为电信号，广泛应用于光电通信、天文观测等领域。
5.光电子计算机：光电子计算机利用光信号进行信息处理和传输，具有高速、大容量、低能耗等优点。
6.光电效应在科学研究中的应用：光电效应不仅在物理学领域具有重要意义，还广泛应用于化学、生物学、材料科学等领域的研究。
了解光电效应及其应用，有助于我们深入理解光的性质，以及光与物质相互作用的机理。
这些知识对于培养学生的科学素养和创新能力具有重要意义。
习题及方法：1.习题：一束光照射到某种金属上，如果光的频率为5×10^14 Hz，该金属的逸出功为2.3 eV，求该束光的最大光电子动能。
光电效应
1.光子：
2.爱因斯坦的光电效应方程
一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能
量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸 出后电子的初动能Ek，即：
h Ek W0
或 Ek h W0
Ek
1 2
mevc2
——光电子最大初动能
W0
——金属的逸出功
四.爱因斯坦的光量子假设
3.光子说对光电效应的解释
3、光电子的最大初动能
从阴极出发的光电子的最大初动能与入射光的频率成 线性关系。
由于电子受到金属表面层的引 力作用，电子要从金属中挣脱出 来，必须克服这个引力做功。使 电子脱离某种金属所做功的最小 值，叫做这种金属的逸出功。
最大初动能=电子吸收的能量-逸出功
存在遏止电压UC：使光电流减小到零的反向电压
以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以 无法用经典的波动理论来解释光电效应。
四.爱因斯坦的光量子假设
1.光子：
光本身就是由一个个不可分
爱 的爱 了光因启因斯子斯发坦说坦，他从割的普提的 光朗出能 的：克量 能的子 量能组 子量成 为子的h说ν。，中这频得些率到能为ν
量子后来被称为光子。
E h
四.爱因斯坦的光量子假设
C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光 的频率无关
D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个 频率的光不能发生光电效应
二.光电效应的实验规律
（1）存在饱和电流
光照不变，增大UAK，A表中电流达到 某一值后不再增大，即达到饱和值。
在光照条件一定时，单位时间内K发 射的电子数目是一定的。
实验表明：
三.光电效应解释中的疑难
1 .逸出功W0
温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到 金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出 来，必须克服这个引力做功。
光电效应
当入射光频率降低到0 时，光电子的最大初动能为零, 若入射光频率再降低，则无论光强多大都没有光电子产生，不 发生光电效应。0 称为这种金属的红限频率 (截止频率)。 （4）光电效应是瞬时发生的 实验表明，只要入射光频率 > 0 ，无论光多微弱，从光照 射阴极到光电子逸出，驰豫时间不超过 10-9 S ，无滞后现象。
二、经典物理学所遇到的困难
1、逸出功，初动能与光强、频率的关系
自由态 逸 出 功 束缚态
按照经典的物理理论，金属中的自由 电子是处在晶格上正电荷所产生的“势 阱”之中。这就好象在井底中的动物， 如果没有足够的能量是跳不上去的。
当光波的电场作用于电子，电子将从光波中吸取能量，克 服逸出功，从低能的束缚态，跳过势垒而达到高能的自由态， 并具有一定的初动能。
按照经典的波动理论，光波的能量应与光振幅平方成正比亦 即应与光强有关。因此，按经典理论，光电子的初动能应随入 射光强度的增加而增加。 但实验表明，光电子的初动能与光强无关，而只与入射光的 频率呈线性增加，且存在光电效应的频率红限。
2、 光波的能量分布在波面上，电子积累能量需要一段时 间，光电效应不可能瞬时发生。
2 ．实验规律 在散射的 X 射线中，除有波长与入射波长相同的射线外， 还有波长较长的成分。波长的偏移量为
h 2h 2 0 (1 cos ) sin m0 c m0 c 2
λ
0
：入射波波长，λ：散射波波长 康普顿散射的波长偏移与散射角的关系如下图所示
：散射角
从金属表面逸出的最大初动能,随入射光的频率 v 呈线性增加。
(3)只有当入射光频率大于一定的红限频率0 时，才会产生 光电效应。
1 2 mv m eU a 2
U a k U 0
光电效应的4个公式
光电效应的4个公式
光电效应的4个公式：
E=Hv-W
光子能量：E=hv
截止电压：Ek=eUc
爱因斯坦光电效应方程：Ek=hv-Wo
光子能量：E表示光子能量h表示普朗克常量，v为入射光频率。
这个方程是爱因斯坦，提出工是不允许的，而是一份一份的每一份管子能量可以用这个公式来表示。
每一份光子能量跟它的频率成正比。
爱因斯坦光电效应方程：h表示普兰克常量，v表示入射光的频率，W0表示逸出功，这个方程求的是Ek表示动能最大的光电子所具有的能量。
用入射光子能量减去逸出功等于光电子出来的正能量。
截止电压：根据爱因斯坦的光电效应实验，光电子出来会进入电路中，当外电路电压调到一定值的时候电子就进不了电路中。
那么此时电子走到负极所做的功。
刚好就等于电子出来的动能。
Ek表示光电子出来的动能。
e表示电子的电荷量，Uc表示截止的电压。
光电效应的三个公式
光电效应的三个公式光电效应是指当光照射到一些物质表面时，该物质会发射出电子的现象。
光电效应是量子力学的基本现象之一，可以通过以下三个公式进行描述和研究。
1. 光电效应方程(Einstein Equation):光电效应方程是由爱因斯坦在1905年基于光子论假设推导出来的，可以用来计算光电效应中的电子动能。
该方程如下所示：E=hν-Φ2.减少光电效应门槛的方法:减少光电效应的门槛是指通过一定的方法，使得材料对光子的吸收能力增强，提高光电效应的发生概率。
为了描述该方法，我们引入以下公式：Φ=hν-W其中，Φ为材料的逸出功，h为普朗克常数，ν为光子的频率，W为光子的功函数。
该公式表明，逸出功可以通过光子的功函数进行补偿。
如果材料的功函数较大，那么对应的逸出功也较大，对光电效应的概率较低。
因此，减少逸出功的方法之一就是通过调整光子的功函数。
3.光电流方程:光电流是指在光照射下，从材料中流出的电流。
光电流方程用来描述光电效应中电子流出的电流强度，可表示如下：I = qnA其中，I为光电流，q为元电荷的电量(1.6×10^-19C)，n为单位体积内光电子的数目，A为光照射的区域面积。
该方程表明，光电流的强度取决于单位体积内光电子的数目和光照射的区域面积。
该公式可以用来研究光电效应中的光电流特性和实验测量。
综上所述，光电效应可以通过上述三个公式进行描述。
光电效应方程用来计算光电效应中的电子动能，减少光电效应门槛的方法可以通过改变材料的功函数来调整逸出功，光电流方程用来描述光电效应中电子流出的电流强度。
这些公式为我们研究和应用光电效应提供了重要的理论基础。
光电效应
光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点：
1. 电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以通
过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电探
测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号，成为像增强器
与变相器技术的基本元件。 2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器 件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导 体光电图像传感器。
生电流的现象。
p Bh+
n As+
(a)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e–
M etallurgical Junction
耗尽区
M E (x)
M
Neutral p-region
Eo
Neutral n-region
朩p
0
Wn
x
(e)
内建电场
M log(n), log(p) p po Wp Wn
(b)
Eo V(x)
Space charge region
下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载
流子浓度很低，形成浓度差。 这种由于载流子迁移率
的差别产生受照面与遮
光面之间的伏特现象称 为丹培效应。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
KT n p n p n0 ln1 UD n p q n p 0 n 0 p
3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探
测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。
习题
什么是光电效应
什么是光电效应光电效应是指物质激发出的电磁能量，经过电子辐射转化成电荷，形成光电信号的一种现象。
它不仅可以被用于日常的数据传输，更可以被用于电力方面的应用研究。
以下是有关光电效应的科普文章，概括列出如下：一、什么是光电效应光电效应，又称作光电变换，是指物质中个体电子能够被电磁辐射激发，并改变自身能量状态，形成物质的质能转换的过程。
光电效应可以用来直接产生电荷，或者通过改变电荷分布来产生有效的电信号。
二、光电效应的基本原理根据米勒黎塞尔定律，电辐射的功率取决于频率的调谐度，也就是说，电辐射的功率比弱调谐电辐射功率大，高调谐电辐射的功率比低调谐电辐射功率大。
在光电效应发生的情况下，由于电子被辐射激发，其值实现了调谐变化，从而使电荷发生转移，形成光电信号。
三、光电效应的应用1、光电效应在信息传输中的应用：由于光电效应可以将物质力学形式的电磁辐射转换成更容易传播的电信号格式，因此用于信息传输当中，能够有效提高数据传输速度和数据量，缩短数据传输距离。
2、光电效应在电力转换中的应用：由于光电效应可以反向激发，从而可以用来把能量转换成电能量。
同时光电效应也可以制作电路板及改变其中的信号，从而控制发动机电机微调参数，并保持其工作的稳定。
四、光电效应的未来发展1、在未来，加强光电转换效率，可以进一步提高光电器件的效率，从而减少节能照明技术的成本。
2、研究发展的光电联网技术，可以加强光通信，增强信号传输的可靠性，进一步提高数据传输的安全性，并缩短信息传输的距离。
3、以光电转换原理为基础，进一步探索光电交互式应用技术，如在虚拟实验中，可以搭建基于光电技术的实现模拟真实情景的类比系统，以实现小规模模拟实验，大大节省因可以不用购置实验仪器及耗费巨资的实物实验环节。
总之，光电效应是一种重要的电子物理现象，具有很多的应用，并可以应用在宽泛的领域，如信息科学、电力转换、虚拟实验等等。
未来光电效应将会得到更多的应用，在不同领域发挥更大作用，从而实现它在未来发展和更大的潜几。
什么是光电效应
什么是光电效应光电效应是物理学中一个重要而又神秘的现象，对其熟知也是科学研究与发现的基础。
以下将集中介绍光电效应的本质和主要内容，以期普及其知识以提高受众的科学理解能力。
一、起源光电效应的起源可以归结为美国物理学家叶里·拉斐尔·盖罗（E.L.Galle）于1873年在《英国物理学家论文》上发表的“灯发射热和电量传导”论文。
该论文中，叶里·拉斐尔·盖罗首先指出，当紫外线照射到金属表面时，表面电荷即可被照射释放出来。
他用装有两个金属片的电容器来测量照射后产生的电荷，作出了有实验依据的结论，从而一举为光电效应建立了理论基础。
二、本质光电效应即指光照射到特定物质表面时在物质内部发生的电磁现象。
它是一种以光能量转换为电能量的过程，使粒子之间的能量交换受到调控，最终转为电信号或调制信号。
从物理上来讲，它是一种势能转换，由能量分布规律来保证转换的有效性。
通过等效电路原理对光电效应建立数学模型，可以把电路比作一个叠加在一起的活动电路，恰当地模拟光电效应，从而计算出光照射到特定物质表面，释放出来的电荷量。
三、应用（1）光电敏感系统。
光电效应的发现，为发展光电敏感装置奠定了理论基础，其应用范围涉及安防的对比侦测技术，光学感知技术和照明驱动技术等，如运动检测，夜视成像，半导体照明等等。
（2）光电转换系统。
除了利用光电效应进行信号转换，用于触摸控制系统，还可以利用它进行信号传感。
通过触摸，用户可以操控设备，并自动对触摸方式、触摸运动及惯性等进行调节，大大提高用户的体验度。
（3）节能照明系统。
光电效应的发现，为LED照明的发展提供了基础，广泛应用于各种道路灯，街灯，室内照明等，以提升照明效果，改善节能环保状况，降低照明成本等，并为城市夜景重塑出呈现光彩。
四、总结总之，光电效应是一种在物质表面发生的物理现象，它的发现为科学研究、新型电子元器件以及新型能源的发现提供了基础，其在科研和应用中发挥了重要作用。
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光电效应光的干涉、衍射现象表明光具有波动性，光电效应表明光具有粒子性。
关于光的波动性和粒子性并存的性质，称之为波粒二象性。
一切涉及到普朗克常数的物理现象皆为量子现象。
因此，普朗克常数是一个十分重要的物理常数。
实验目的1．通过实验了解光的量子性。
2．利用爱因斯坦方程，测定普朗克常数。
实验原理及方法金属表面在光照射下释放电子的现象称为光电效应。
光的波动性无法解释光电效应。
1905年爱因斯坦提出了光量子假说，成功地解释了光电效应。
他认为光束是由能量E =hv 的光量子聚集而成，h 是普朗克常数，ν是光频率。
在光与金属相互作用时，光子带着能量hv 穿过金属表面，金属中电子吸收光子能量后，一部分用于克服逸出金属表面所需的能量E 0（逸出功W ），剩余的能量(hv —W ϖ)成为光电子的初动能212m hv W υ=- （1） 式中m 是电子的质量，υ是光电子逸出金属表面时的初速度。
这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。
由于金属中电子的能量具有一定的分布，不同能量的电子吸收光子的概率也不相同，以及电子在向金属表面运动过程中能量损失也不尽相一致等原因，故逸出光电子的动能具有一定的分布。
从金属中逸出时不因碰撞而损失能量时的光电子的动能，就是光电子的最大初动能。
式（1）表明只有ν≥0W v h=时，才能使光电子逸出金属表面。
0v 称为截止频率，它取决于金属材料的逸出功。
不同材料有不同的截止频率。
一般碱金属的逸出功较低，故常用于光效应实验。
实验线路如图1所示，单色光从光电管的窗口入射到阴极K 上，从K 发射光电子向阳极A 运动，在外电路形成光电流。
若在阳极上加一相对于阴极为正的电压，在光电管内形成加速电场，光电流随正向电压的增大而迅速增加，直至所产生的光电子全部到达阳极。
此时光电流达到饱和。
如果在阳极上加一相对于阴极为负的反向电压U ，则在光电管中形成一个阻止光电子运动到阳极的电场。
因而，使从阴极逸出的光电子中只有那些动能221mv 大于eU 的光电子才能运动到阳极而被收集。
逐渐增大反向电压U ，就会阻止更多的光电子到达阳极，使光电流逐渐减小。
当反向电压达到使具有最大初动能的光电子也被阻止，即212eU mv =，光电流为“0”，此时的电压称为截止电压s U ，如图2所示，为光电管的伏－安曲线。
由式（1）有s eU hv W =- （2）对于材料已定的光电管来说，逸出功W 是一个常量，所以截止电压s U 和光照频率v 成线性关系。
如图3所示，直线斜率e h /。
电子电量是已知的，从而求出普朗克常数h 。
图1 图2图3 图4 实验中，可用不同频率的光照射光电管，作出不同频率光照射下光电管的伏－安特性曲线，求出截止电压。
以光频率v 为横坐标，以相应的截止电压U s 为纵坐标，作U s ～ v 图，如果图线是直线，则验证了爱因斯坦方程，并由直线斜率求出h 。
但是，实际测得的U I ~图线要复杂的多，这是由于光电管在光照下还伴有暗电流、本底电流及反向电流的缘故。
光电管没有受到光照时，在外加电压下仍有微弱的电流流过，称之为暗电流，它是由于光电管管壳漏电，热电子发射等原因造成的。
本底电流是由于室内各漫反射光射入光电管所致，无光照时的伏安特性，从实测看来基本上接近于线性。
反向电流由阳极的光电子发射引起。
当光照到阳极A 上或由阴极K 漫反射到A 上时，致使阳极发射电子。
当加上反向电压时，由于它对阳极发射的电子起加速作用而形成反向电流。
由于以上三种电流的存在，实测光电管的I ～U 曲线如图4实线所示，它在横轴的截距为－U s ’。
当U =－U s ’时，则阴极电流（包括暗电流、本底电流与光电子流）正好等于从阳极逸出的电子流（反向电流），故光电管总输出电流为零。
当U >－U s ’时，随着外加电压的增加，阴极电流迅速上升，它在总电流中占绝对优势，故I～U曲线逐步接近光电管的理想I～U曲线（图中用点划线表示）。
当U <－U s时，阳极电流（图中用虚线表示）逐渐占优势并趋向饱和。
显然，阳极电流越小，而阴极电流上升的越快，则－U s’越接近于－U s。
此外，如果光电管的阳极电流较为缓慢地达到饱和，那么反向电流开始饱和时的拐点电位－U s’’也不等于－U s，阳极电流越是容易饱和，则－U s’’越接近于－U s。
实验时选择－U s’作为－U s的称为交点法，选择－U s’’作为－U s的称为拐点法。
本实验用拐点法选择－U s。
拐点法时－U s’’不是光电流为零的点，而是实测曲线（实线）中直线部分和曲线部分相接处的点，称为“抬头点”，此曲线开始“抬头”的拐点所对应的横坐标值才是U S。
仪器构造及使用GP－1A型普朗克常数测定仪包括四部分，其实物如图5所示。
图51—高压汞灯2—滤色片3—光电管及暗盒4—微电流测量放大器1. 光源采用GGQ－50WHg型高压汞灯。
在302.0～872.0 nm的谱线范围内有365.0nm、404.7nm、435.8nm、491.6nm、546.1nm、577.0nm等谱线可供实验使用。
2. NG型滤色片是一组外径为ϕ36mm的宽带通型有色玻璃组合滤色片。
它具有滤选365.0nm、404.7nm、435.8nm、491.6nm、546.1nm、577.0nm等谱线的能力。
3. GDH－1型光电管阳极A为镍圈，阴极K为Ag－O－K材料、光谱范围340～700nm，光窗为无铅多硼硅玻璃，最高灵敏波长是（410±10）nm，阴极光灵敏度约为1μA/lm，暗电流约为10－12A。
为了避免杂色光和外界电磁场对微弱光电流的干扰，光电管装在铅质暗盒中，暗盒窗口内安装有ϕ36mm的各种带通滤色片。
4. GP－1型微电流测量放大器电流测量范围在10－5～10－13A，分六档十进制变换，机内附有稳定度≤1‰、－3V～3V 精密连续可调的光电管工作电源。
电压量程分0～±1V～±2V～±3V六段读数，读数精度为±0.02V，放大器与光电管间用50Ω屏蔽电缆相连，可连续工作8h以上。
实验内容1. 测试准备1.1 开机准备按图5将光源、光电管暗盒及微电流测量放大器依次放好，暗盒离开光源30～50cm，暂不连线。
用遮光罩盖住光电管暗盒光窗，将微电流测量放大器面板上的各个开关旋钮分别置于下列位置：“倍率”置于“短路”；“电流极性”置于“－”；“工作选择”置于“直流”；“扫描平移”任意；“电压极性”置于“－”；电压量程置于“－3”；“电压调节”逆时针旋至最小。
1.2 开机预热打开微电流测量放大器电源开关，预热20～30min；在光电管暗盒光窗上装入ϕ5mm的光阑（若已装好请不要拿下）；打开光源开关，预热汞灯。
1.3 调整微电流测量放大器的“零点”和“满度”待微电流测量放大器充分预热后，先调零点后校满度。
校满度时，先把“倍率”旋钮旋至“满度”档，如指针不在满度（100μA）位置，可旋动“满度”旋钮，使指针处于满度。
然后旋动“倍率”旋钮至“零点”，若不指零则略作调零。
1.4 接线连接好光电管暗盒与微电流测量放大器之间的屏蔽电缆、地线和阳极电源线。
2. 测试2.1 观察暗电流遮光罩仍然盖住窗口，放大器“倍率”旋钮置于“10-7”或“10-6”档，顺时针旋转“电压调节”旋钮，合适地改变“电压量程”和“电压极性”开关，读出相应的电压和暗电流值（电流值=倍率×电表读数×1μA）。
可不作记录。
2.2 让光源出射孔对准暗盒窗口，并使暗盒距离光源约30～50cm，取下遮光罩换上滤色片。
微电流测量放大器“倍率”置于“10－7”或“10－6”档，“电压调节”由－3V或－2V 调起，缓慢地增加电压，“电压极性”、“电流极性”作相应变化。
观察电流变化情况，记下电流明显变化的电压值，以便精测。
2.3 在粗测的基础上进行精测记录，在对应电流剧变的电压值附近要多测几个值。
2.4 从短波长起，逐个更换滤色片，重复上述2.2～2.3的实验内容，仔细测出在不同频率入射光照射下的光电流。
每个滤色片至少读取15组数据。
2.5 在方格纸上作出不同波长的I—U图线，找出曲线的“拐点”，确定相应的截止电压U S（－U S’’），作U S～v图线，利用图线求出h和光电子的最大动能。
注意事项1. 更换滤色片时，应先将光源的出射光孔盖住。
实验完毕，用遮光罩盖住光电管暗盒的进光窗，以避免强光直接照射阴极，缩短光电管寿命。
2. 在更换滤色片时，还应注意避免污染。
且务必将滤色片平正地放人盒内，以免不必要的折光所引起的实验误差。
3. 光源与光电管暗盒之间的距离，宜取30～50cm，从光源出光孔射出的光，必须直接射向光电管阴极，为此可调节暗盒，但测量过程中不要移动光源或光电管，以保持二者相对位置不变。
为了避免光线直射阳极，若测试时光窗已装入ϕ5mm的光阑，请不要取下。
4. 本实验虽然不必在暗室中进行，但在安装仪器装置时，光电管人射窗口请勿面对其它强光源（如窗口），以免杂散光干扰。
而且仪器不宜在强磁场、强电场、强振动、高湿度和强幅射环境下工作。
5. 测量放大器必须充分预热，测量方能准确。
连线时务请先接好地线再接讯号线。
切勿使电压输出端与地短路，以免烧坏电源。
讨论题1. 在I－U图线上，为什么电流开始非线性变化的拐点对应的电压是截止电压?2. 思考一下，改用什么样的实验装置和实验手段，可以避免暗电流、本底电流的影响，并使反向电流能忽略不计?3. 为了减少测量h值的系统误差，分析在什么条件下用“拐点法”确定U s?什么条件下用“交点法”确定U s?。