光电效应定义及分类
《光电效应》知识小结
《光电效应》知识小结一、电磁波谱：无线电波，红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线二、光的本质是电磁波，也有波长、频率和波速。
光有不同颜色，光的颜色取决于频率和波长可见光按波长由长到短排列顺序：红、橙、黄、绿蓝、靛、紫可见光按频率由小到大排列顺序：红、橙、黄、绿蓝、靛、紫三、光子的能量：光由一份一份组成，每一份称为一个光子（爱因斯坦提出光子说）其中h＝6.63×10－34 J·s。
(称为普朗克常量)注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1 eV＝1.6×10－19 J)。
四、光照强度（简称：光强）：I=nhν光照强度是指单位面积上所接收的可见光的能量，简称照度，单位勒克斯（Lux或Lx）。
五、光电效应1、定义：当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。
逸出的电子称为光电子。
2、赫兹最初发现光电效应现象。
3、两个概念：（1）逸出功：电子摆脱金属束缚从金属中逸出所需做功的最小值叫做该金属的逸出功．用W0表示，不同金属的逸出功_________．（2）极限频率（截止频率）：使金属发生光电效应的入射光频率的最小值，叫该金属的极限频率，用ν0表示。
不同金属的极限频率___．（3）二者的关系：W0=hν04、光电效应产生条件：入射光子的能量超过金属的逸出功：hν＞W0又W0=hν0入射光子的频率大于极限频率：ν＞ν05、光电子的初动能：E K=hν-W光电子的最大初动能：E Km=hν-W0（爱因斯坦的光电效应方程）光电效应方程表明：光电子的最大初动能与入射光的________有关，与光的强弱_____关(填“无”或“有”)．只有当hν____W0时，才有光电子逸出．6、E km- ν曲线：横轴上的截距是极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，斜率为普朗克常量7、光电效应实验分析：（1）电路图：（2）从阴极逸出的光电子速度大小、方向是怎样的？（3）阴极K和阳极A间加正向电压时，电场对电子的运动起促进电压升高时，流过电流表的电流变大（达到饱和光电流后不再变大）增大光强时：光电流能变大（逸出的光电子数增多→饱和光电流可变大）（4）阴极K和阳极A间所加电压为0时，流过电流表的电流不为0（5）阴极K和阳极A间加反向电压时，电场对电子的运动起阻碍作用电压升高时，流过电流表的电流变小（I=0时的电压叫遏止电压）遏止电压的计算方法：eu c=E Km（6）有光照射阴极，光电效应不一定会发生→-说明：存在极限频率若能发生（ν＞ν0），入射光强度变大时饱和光电流变大（7）电子吸收光子的能量不能随时间累积，（有瞬时性）（8）光电效应伏安特性曲线用到的公式：I=nhνE km＝hν－W0eu c=E Km w0=hν0 ( c=入f)①横轴截距表示遏止电压②先加逐渐减小的反向电压（从遏止电压开始变化），后加逐渐变大的正向电压（从0开始变化）：该过程电路中的光电流先变大，一旦达到饱和光电流，之后就不再变化③光的颜色不变增加光强：饱和光电流会增大，但遏止电压不变。
22 光电效应讲解
关，只随入射光的频率的增大而增大。
K -
V
K V
A v
G
R
A G
3、光电效应的实验规律
饱I
光电效应实验装置
阳
阴
和
电 Is
流
极A
K极 遏
光强较强 光强较弱
止
电
压
G V
Ue
O
U
光电效应伏安特性曲线
光电效应实验规律
①.存在截止频率0 ----极限频率 对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.
1925—1926年，吴有训用银的X射线
(0 =5.62nm)为入射线, 以15种轻
重不同的元素为散射物质，
对证实康普顿效应作出了重要贡献。
吴有训 （1897-1977）
在同一散射角( j 1200 )测量各种波长的散射
2.2 光电效应 光子说
1、认识光电效应现象 ，知道其表现出的规律 2、理解极限频率、逸出功、最大初动能等概念 理解利用反向遏止电压测量最大初动能的原理 3、知道波动理论在解释光电效应规律时遇到的困难 4、理解爱因斯坦光子说的基本思想，理解光子概念 5、掌握爱因斯坦光子的光电效应方程 h Ek W0
不同物质的极限频率不同，多数金属的极限频率在紫外区。 如锌板的 极限频率是紫外线
研究二
当K、A两端正向电压不为零,且一定时
增大紫光强度电流计指针偏角增大（饱和电流增大）
光的强度越大，单位时间内产生的光电子数越多。
结论2
当入射光的频率大于极限频率时，
K
A
光电效应
用弧光灯照射擦得很亮的 不带电的锌板，(注意用 导线与不带电的验电器相 连），现象：验电器指针 出现张角；当验电器张角 增大到约为 30度时，再用 与丝绸磨擦过的玻璃棒去 靠近锌板，则验电器的指 针张角会变大。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
1.定义： 在光(包括不可见光)的照射下，从金属表面逸
精确 实验 结论
当入射光的频率大于截止频率时，光 电流强度释光电效 应中前面几个结论、使光的 波动说遇到了无法克服的困 难，爱因斯坦在普朗克研究 的基础上，根据能量守恒定 律,提出“光量子”概念。简 称光子。他认为每一个光子 的能量为E =hv，h叫普朗克 常量，v为光的频率。 爱因斯坦 （1879—1955）
甲
实 验 结 果
即使入射光强度非常弱，只要入射光频 率大于极限频率，电流表指针也几乎随着入 射光照射立即偏转，精确实验表明，光电子 发射至光电流产最多相差10-9秒。
4、光电流强度的决定
按图装置，移动P使伏特表有一定 读数，用一定强度的光照射K，电流表 中有一定读数，这时改变K、A之间的 电压，使其增大，电流表显示光电流 在增大。但是，当K、A间电压足够大 后，电流表读数不再改变，这就是饱 和光电流。表明光电效应中产生的光 电子已能全部到达A极。所以升高电压 电流也不会再增大。此时若再增大照 射光强度，光电流会随之增大。
实 验 结 论
截止频率取决 于金属自身
任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必 须大于这个截止频率才能产生光电效应，低于这个频率的 光，无论光强怎样大，照射时间多长，也不能产生光电效 应。
2、光电子最大初动能
(1)最大初动能的概念 (2)最大初动能的测定 (3)最大初动能的结论
(1)最大初动能的概念
第7讲 光电效应和光电器件
100
50 0 1
20
40 U/V
思考：我们为了得到更大的光电流，能否无限 增大电压？
光敏电阻的特性5-频率特性
I / %
100 硫化铅
80
60 40 20 0 10
硫化镉
•思考：光敏电阻能否 用在要求快速响应的场 合？
102 103
104 f / Hz
光敏电阻的特性6-稳定性
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子 受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其 由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内 的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变 大。
自由电子所占能带
导带
Eg
禁带 价带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
2.光生伏特效应 在光线作用下能够 使物体产生一定方向 的电动势的现象叫做 光生伏特效应。 基于该效应的光电 器件有光电池和光敏 二极管、三极管。
阳极
光电阴极
光电倍增管示意图
光敏电阻外形
光敏电阻的演示
观察：光电 流有什么变 化？
暗电流（越小越好）
光敏电阻的结构
玻璃 光电导层 电极 绝缘衬底 金属壳 黑色绝缘玻璃 引线
光导体
电极
光敏电阻结构
光敏电阻的电极
光敏电阻的工作原理
导带 Eg
自由电子所占能带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
禁带
价带
I / %
160
120 80 40 0 400 800 1200 1600 T/h 2
•最后达到一个稳定值 后就不再变了。这就是 光敏电阻的主要优点。
1
光敏电阻的特性7-温度特性
I / μA
光电效应基础理论
光电效应
光电效应
光电效应
引起的跃迁速率问题
e(t) Re(E0e j(0t0 ) E1e ) j(1t1)
Re (E0e j0
E e )e j(t1 ) j0t 1
1 0 = 0
V (t)
(E0e j0
E e )e j(t1 ) j0t 1
Wab (E0e j0 E1e j(t1) )(E0e j0 E1e j(t1) )
阳极A:是由金属丝网做成的
电位器R:用来调节加在光电管两端的电势差U的大小
伏特计U和电流计G:分别用来测量加在光电管上的电势差 和通过光电管的光电流
光电效应的实验
当光子照射到阴极K的金属表面上时，它的能量被金 属中的电子全部吸收，如果光子的能量足够大，大 到可以克服金属表面对电子的吸引力，电子就能跑 到金属表面，在加速电场的作用下，向阳极A移动 而形成电流
Ev
导带
hν 输出光
hν
价带
占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带 （价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能 量）Eg=Ec-Ev以光的形式放出，这时发出的
光，其波长基本上由能带差ΔE所决定。
光子受激吸收
Ec hν
导带
吸收光果把光子能量大于hν的光波照射到占据低 能带Ev的电子上，则电子吸收该能量后被激 励跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外 加电场后，就可以在外电路上取出处于高能
现代光电子技术
光电效应
光电效应
光电探测
第一节 光电效应
三、光电子、光电流 光电子、 为了把光电子尽可能的收 集到阳极，以增强光电流， 集到阳极，以增强光电流， 通常在光电管的两级加上正 向电压。 向电压。 四、把光信号转化为电信号的原理图 当光越强时，Uab如何变化？ 当光越强时， 如何变化？ 光越强， 越大。 光越强， Uab越大。
经研究：光电流的大小与入 经研究：光电流的大小与入 射光的强度 频率有关 强度和 有关。 射光的强度和频率有关。 下面通过控制变量法研究光 电流的大小与哪些因素有关？ 电流的大小与哪些因素有关？
五、遏制电压 当入射光强度和频率一定时， 当入射光强度和频率一定时， 回路中的光电流随反向电压的增加 而减小。 而减小。 当反向电压达到某一数值时， 当反向电压达到某一数值时， 光电流会减小到零。 光电流会减小到零。把此时的电压 称为遏制电压， 表示。 称为遏制电压，用U0表示。 1 mvmax2=eU0 光电子最大初动能 2 入射光 遏止电压 结论： 结论： 强 强度改 遏止电压 变 中 与入射光的 无关， 强度无关 强度无关， 弱 只与入射光 只与入射光 频率改 蓝光 的频率有关 中 弱 蓝光 绿光 红光
频率变化
结论： 结论：
复习回顾
1.对于每一种金属， 1.对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率 对于每一种金属 ν0时，才会产生光电流； 才会产生光电流； 2.发生光电效应时 发生光电效应时（ ),光电流 光电流∝ 2.发生光电效应时（ν> ν0时),光电流∝光的强度或 频率； 频率；
一共学了4个结论： 一共学了4个结论： 1.对于每一种金属 只有当入射光频率大于某一频率ν 对于每一种金属， 1.对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率ν0 才会产生光电流； 时，才会产生光电流； 2.发生光电效应时 发生光电效应时（ ),光电流 光电流∝ 2.发生光电效应时（ν> ν0时),光电流∝光的强度或频 率； 3.遏止电压与入射光的强度无关 只与入射光的频率有关。 遏止电压与入射光的强度无关， 3.遏止电压与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关。 4.光电子的最大初动能只与入射光的频率有关 光电子的最大初动能只与入射光的频率有关。 4.光电子的最大初动能只与入射光的频率有关。 六、经典电磁理论解释的局限性： 经典电磁理论解释的局限性： 无法解释两点： 无法解释两点： 1.每一种金属都对应一个不同的极限频率，却与入射光 每一种金属都对应一个不同的极限频率， 每一种金属都对应一个不同的极限频率 的强度无关； 的强度无关； 2.遏止电压（或光电子的最大初动能）只与入射光的 遏止电压（ 遏止电压 或光电子的最大初动能） 频率有关，却与入射光的强度无关； 频率有关，却与入射光的强度无关； 故：经典物理学里光的电磁理论在解释光电效应时遇 到了根本性的困难。 到了根本性的困难。
光电效应总结
1.【光电效应的4个基本实验是什么金属及其化合物在光照射下发射电子，这个现象称为光电效应（photoelectric effect）；从金属表面逸出的电子称为光电子（photoelectron），光电子运动形成光电流（photocurrent）.光电效应是指光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应.发射出来的电子叫做光电子.光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限频率和极限波长.临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释.光电效应是自然事实，是光与电之间的一种相互作用、是光与物质（金属）之间的相互作用、是光与物质的核外电子之间的相互作用.在光电效应实验中，每种金属都存在一个极限频率，当入射光的频率低于极限频率时，不管入射光多强，都不会有光电子逸出；只有当入射光的频率高于极限频率时，金属才会发射光电子，产生光电效应.光电效应在近代物理的量子论中起着很重要的作用，其在证实光的量子性方面有着重要的地位，光电效应的规律在现代科技及生产领域也有广泛的应用，如利用光电效应制成的光电器件广泛地应用于光电检测、光电控制、电视录像、信息采集与处理等多项现代技术中.普朗克常数是近代物理中一个很重要的常数，它可以用光电效应实验方法来测定.通过本实验可以加深对量子论的理解.自1887年赫兹意外发现光电效应后，一些人陆续对此现象进行了研究，并总结出了四条基本规律.但这些规律无法用电磁学理论解释.1905年爱因斯坦大胆地引用普朗克关于光辐射能量量子化的概念，提出光量子概念，从而成功解释了光电效应的现象.爱因斯坦认为，从一点发出的光，不是以连续形式把能量传播到空间，而是以为能量单位一份一份地向外辐射.叫作光子.此后约十年，密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数.如下图所示，当频率为的光束照射在光电管的阴极K上时，能量为的光子与金属表面的自由电子作用，把能量全部交给这个电子，电子脱离金属表面从而产生光电效应.如果金属K的逸出功为Ws，电子离开金属表面后的初动能为E，则有：此式即为爱因斯坦光电效应方。
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
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光电效应定义及分类
一、引言
光电效应是指当金属或半导体表面受到光照射时，会发生电子的发射
现象。
这一现象是量子物理学的重要研究对象之一，不仅在理论上有
着深刻的意义，而且在实际应用中也具有广泛的应用价值。
本文将对
光电效应进行全面详细的定义及分类。
二、基本概念
1. 光电效应：当金属或半导体表面受到光照射时，会发生电子的发射
现象。
2. 光电子：被光激发出来的自由电子。
3. 光阴极：能够产生大量光电子的材料。
通常使用碱金属和合金作为
光阴极材料。
4. 入射光强度：单位时间内入射在单位面积上的能量。
5. 逸出功：当一个自由电子从固体表面逸出所需能量。
它是固体材料
特性之一。
三、分类
根据不同条件下产生光电效应，可以将其分为以下几类：
1. 外光电效应：即经过真空或气体后照射到金属表面产生的光电效应。
这种光电效应的实验条件非常苛刻，需要使用真空或极低压气体环境。
2. 内光电效应：即在半导体中发生的光电效应。
这种效应与半导体材料的能带结构有关，可以通过控制半导体材料的能带结构来调节其性质。
3. 前向光电效应：即在PN结或PNP结中正向偏置时，经过照射产生的光电流现象。
前向光电效应是太阳能电池等器件中最常见的一种现象。
四、影响因素
1. 入射光强度：入射光强度越大，产生的光电子数目越多。
2. 入射光频率：入射光频率越高，产生的光电子动能越大。
3. 材料逸出功：逸出功越小，产生的光电子数目越多。
4. 材料表面状态：表面平整度、清洁度等都会影响到产生的光电子数目和动能。
五、实际应用
1. 光阴极：利用外部激励源（如激光）照射在金属或半导体表面，产生大量的光电子，从而实现高亮度电子束的发射。
2. 光电探测器：利用光电效应的原理，将入射光转化为电信号，实现对光信号的检测和测量。
3. 太阳能电池：利用前向光电效应原理，将太阳能转化为电能，实现太阳能的利用。
六、结论
综上所述，光电效应是一种重要的物理现象，在科学研究和实际应用中都具有广泛的意义和价值。
通过对其分类、影响因素及实际应用等方面进行了详细介绍，可以更好地理解和掌握这一现象。