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  wu746198198 2013-09-23 00:00:00

  光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)

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  Liuguixiunl 2013-09-23 00:00:00

  我簡單的敘述下我自己的理解我們知道光是光子構(gòu)成而光子靜止質(zhì)量為零.但他有動能.根據(jù)動能守恒.光子照到金屬上時.金屬上的電子會吸收能量.通過原子的結(jié)構(gòu)我們知道.電子有不同軌道.當(dāng)電子吸收光子后.如果光子的能量恰好使電子有脫離自己軌道的能量則電子會脫離原子形成光電子(注意:要恰好.多一點或少一點能量都不會使電子形成光電子).既然電子失形成光電子走了則.金屬帶正點形成電勢差形成電流

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  11wenxu11 2013-09-23 00:00:00

  光電效應(yīng)光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電 。光電現(xiàn)象由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。科學(xué)家們對光電效應(yīng)的深入研究對發(fā)展量子理論起了根本性的作用。英文名稱∶Photoelectric effect1. 光電效應(yīng)概述光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光波長小于某一臨界值時方能發(fā)射電子，即極限波長，對應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強度無關(guān)，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒聦嵤牵灰獾念l率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關(guān) ，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產(chǎn)生影響.光電效應(yīng)的臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強度無關(guān)，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面?？墒菍嵤?，只要光的頻率高與金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過十的負(fù)九次方。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。2. 光電效應(yīng)的算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應(yīng)時使用以下算式：光子能量 = 移出一個電子所需的能量 + 被發(fā)射的電子的動能代數(shù)形式：h是普朗克常數(shù)， f是入射光子的頻率， 是功函數(shù)，從原子鍵結(jié)中移出一個電子所需的Z小能量， 是被射出的電子的Z大動能， f0是光電效應(yīng)發(fā)生的閥值頻率， m是被發(fā)射電子的靜止質(zhì)量， vm是被發(fā)射電子的速度， 注：如果光子的能量（hf）不大于功函數(shù)（φ），就不會有電子射出。功函數(shù)有時又以W標(biāo)記。這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預(yù)期），可能是因為系統(tǒng)沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。3. 光電效應(yīng)的實驗愛因斯坦a．陰極(發(fā)射光電子的金屬材料)發(fā)射的光電子數(shù)和照射發(fā)光強度成正比。b．光電子脫出物體時的初速度和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強度無關(guān)。這就是說，光電子的初動能只和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強度無關(guān)。 c．僅當(dāng)照射物體的光頻率不小于某個確定值時，物體才能發(fā)出光電子，這個頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應(yīng)的波長λ。叫做紅限波長。不同物質(zhì)的極限頻率”。和相應(yīng)的紅限波長λ。是不同的。 幾種金屬材料的極限波長 一些金屬的極限波長(埃)： 銫 鈉 鋅 銀 鉑 6520 5400 3720 2600 1960 d．從實驗知道，產(chǎn)生光電流的過程非?？?，一般不超過10的-9次方秒；停止用光照射，光電流也就立即停止。這表明，光電效應(yīng)是瞬時的。 4. 光電效應(yīng)的解釋-愛因斯坦方程光電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦的理論，當(dāng)光子照射到物體上時，它的能量可以被物體中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量hυ后，能量增加，不需要積累能量的過程。如果電子吸收的能量hυ足夠大，能夠克服脫離原子所需要的能量(即電離能量)I和脫離物體表面時的逸出功(或叫做功函數(shù))W，那么電子就可以離開物體表面脫逸出來，成為光電子，這就是光電效應(yīng)。 愛因斯坦方程 hυ=(1/2)mv^2+I+W 式中(1/2)mv^2是脫出物體的光電子的初動能。 金屬內(nèi)部有大量的自由電子，這是金屬的特征，因而對于金屬來說，I項可以略去，愛因斯坦方程成為 hυ=(1/2)mv^2+W 假如hυ<W，電子就不能脫出>金屬的表面。對于一定的金屬，產(chǎn)生光電效應(yīng)的Z小光頻率(極限頻率) υ0。由 hυ0=W確定。相應(yīng)的極限波長為 λ0=C/υ0=hc/W。 發(fā)光強度增加使照射到物體上的光子的數(shù)量增加，因而發(fā)射的光電子數(shù)和照射光的強度成正比。 5. 光電效應(yīng)的衍生(一)反常光生伏應(yīng)： 光生伏應(yīng)一般光生電壓不會超過Vg=Eg/e，但某些薄膜型半導(dǎo)體被強白光照射會出現(xiàn)比Vg高的多的光生電壓，稱反常光生伏應(yīng)。（已觀察到5000V的光生電壓） 70年代又發(fā)現(xiàn)光鐵電體的反常光生伏應(yīng)（APV）可產(chǎn)生1000V到100000V的電壓，且只出現(xiàn)在晶體自發(fā)極化方向上， 光生電壓：V=(Jc/(σD+△σl))l (二)貝克勒爾效應(yīng)： 將兩個同樣的電極浸在電解液中，其中一個被光照射，則在兩電極間產(chǎn)生電位差，稱為貝克勒爾效應(yīng)。 （有可能模仿光合作用制成GX率的太陽能電池） (三)光子牽引效應(yīng)： 當(dāng)一束光子能量不足以引起電子-空穴產(chǎn)生的激光照射在樣本上，可在光束方向上于樣本兩端建立電勢差VL，其大小與光功率成正比，稱為光子牽引效應(yīng)。 (四)俄歇效應(yīng)（1925年法國人俄歇） 用高能光子或電子從原子內(nèi)層打出電子，同時產(chǎn)生確定能量的電子（俄歇電子），使原子、分子稱為高階離子的現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。 應(yīng)用：俄歇電子能譜儀用于表面分析，可辨別不同分子的“指紋”。 光電效應(yīng)(五)光電流效應(yīng)（1927年潘寧） 放電管兩級間有光致電壓（電流）變化稱為光電流效應(yīng)。 （1）：低壓氣體可以放電（約100Pa的惰性氣體） （2）：空間電荷效應(yīng)與輝光放電： 放電管中由陰極到陽極存在7個不同的區(qū)域： 1：阿斯頓暗區(qū)：靠近陰極很薄的一層暗區(qū)。原因：從陰極由正離子轟擊出的二次電子動能很小，不足以激發(fā)原子發(fā)光。 2：陰極輝區(qū)：繼阿斯頓暗區(qū)后很薄的發(fā)光層。 3：陰極暗區(qū)：電子從陰極達到該區(qū)，獲能量越來越大，超過原子電離能，引起大量碰撞電離，雪崩電離過程集中發(fā)生在這里。產(chǎn)生電離后電子很快離開，這里形成了很強的正空間電荷，引起電場分布畸變，管壓大部分降在此處和陰極間 以上三區(qū)為陰極位降區(qū)。 4：負(fù)輝區(qū)：是發(fā)光Z強的區(qū)域。電子在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生許多激發(fā)碰撞發(fā)出明亮的輝光。 5：法拉第暗區(qū)：電子在負(fù)輝區(qū)損失能量，進入此區(qū)無足夠的能量產(chǎn)生激發(fā)。 6：正柱區(qū)：在此區(qū)電子密度與正離子密度相等，凈空間電荷為零，因此又稱等離子區(qū)。 7：陽極區(qū)：可看到陽極暗區(qū)和陽極輝區(qū)。 應(yīng)用：氣體放電器件，如氣體放電燈（熒光燈、霓虹燈、原子光譜燈、氖泡）、穩(wěn)壓管、冷陰極閘流管等。激光器中用正柱區(qū)實現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，粒子束裝置中冷陰極離子源，半導(dǎo)體工藝中等離子體刻蝕，薄膜濺射沉積，等離子體化學(xué)沉積等。 （3）：光電流效應(yīng)機理：亞穩(wěn)態(tài)（壽命約10^(-4)s到10^(-2)s）原子較中性原子易于電離，多產(chǎn)生一些激發(fā)原子，尤其是亞穩(wěn)態(tài)原子，可能改變放電管中載流子濃度。 （4）：光電流光譜技術(shù)應(yīng)用：光電流光譜無需常規(guī)光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，從紫外、可見、紅外到微波都可產(chǎn)生光電流效應(yīng)。光電流光譜有8個數(shù)量級的動態(tài)范圍，靈敏度高、噪聲小，是一種超靈敏的光譜技術(shù)。（1976年格林等用激光證實光電流光譜） （5）：焦希效應(yīng)：當(dāng)用可見光連續(xù)輻照以空氣或絕緣氣體為介質(zhì)的氣體電容器時，流經(jīng)電容器的低頻電流將發(fā)生變化，稱為焦希效應(yīng)。 （6）：馬爾應(yīng)：當(dāng)放電管陰極表面有金屬氧化膜，正離子轟擊表面時，二次電子發(fā)射作用增強，稱為馬爾應(yīng)。 6. 光電效應(yīng)的應(yīng)用制造光電倍增管光電效應(yīng)光電倍增管能將一次次閃光轉(zhuǎn)換成一個個放大了的電脈沖，然后送到電子線路去，記錄下來。算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應(yīng)時使用以下算式： 光子能量 = 移出一個電子所需的能量 + 被發(fā)射的電子的動能 代數(shù)形式： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常數(shù)，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是入射光子的頻率， φ是功函數(shù)，從原子鍵結(jié)中移出一個電子所需的Z小能量， f0是光電效應(yīng)發(fā)生的閥值頻率， Em是被射出的電子的Z大動能， m是被發(fā)射電子的靜止質(zhì)量， v是被發(fā)射電子的速度， 注：如果光子的能量（hf）不大于功函數(shù)（φ），就不會有電子射出。功函數(shù)有時又以W標(biāo)記。 這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預(yù)期），可能是因為系統(tǒng)沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。 光控制電器 光電效應(yīng)利用光電管制成的光控制電器，可以用于自動控制，如自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等等，右上圖是光控繼電器的示意圖，它的工作原理是：當(dāng)光照在光電管上時，光電管電路中產(chǎn)生電光流，經(jīng)過放大器放大，使電磁鐵M磁化，而把銜鐵N吸住，當(dāng)光電管上沒有光照時，光電管電路中沒有電流，電磁鐵M就自動控制，利用光電效應(yīng)還可測量一些轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速。 光電倍增管 光電效應(yīng)利用光電效應(yīng)還可以制造多種光電器件，如光電倍增管、電視攝像管、光電管、電光度計等，這里介紹一下光電倍增管。這種管子可以測量非常微弱的光。右下圖是光電倍增管的大致結(jié)構(gòu)，它的管內(nèi)除有一個陰極K和一個陽極A外，還有若干個倍增電極K1、K2、K3、K4、K5等。使用時不但要在陰極和陽極之 間加上電壓，各倍增電極也要加上電壓，使陰極電勢Z低，各個倍增電極的電勢依次升高，陽極電勢Z高，這樣，相鄰兩個電極之間都有加速電場，當(dāng)陰極受到光的照射時，就發(fā)射光電子，并在加速電場的作用下，以較大的動能撞擊到diyi個倍增電極上，光電子能從這個倍增電極上激發(fā)出較多的電子，這些電子在電場的作用下，又撞擊到第二個倍增電極上，從而激發(fā)出更多的電子，這樣，激發(fā)出的電子數(shù)不斷增加，Z后后陽極收集到的電子數(shù)將比Z初從陰極發(fā)射的電子數(shù)增加了很多倍（一般為105～108倍）。因而，這種管子只要受到很微弱的光照， 就能產(chǎn)生很大電流，它在工程、天文、軍事等方面都有重要的作用。 農(nóng)業(yè)病蟲害FZ光電效應(yīng)農(nóng)業(yè)蟲害的治理需要依據(jù)為害昆蟲的特性提出與環(huán)境適宜、生態(tài)兼容的技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)。為害昆蟲表現(xiàn)了對敏感光源具有個體差異性和群體一貫性的趨光性行為特征，并通過視覺神經(jīng)信號響應(yīng)和生理光子能量需求的方式呈現(xiàn)出生物光電效應(yīng)的作用本質(zhì)。利用昆蟲的這種趨性行為誘導(dǎo)增益特性，一些光電誘導(dǎo)殺蟲燈技術(shù)以及害蟲誘導(dǎo)捕集技術(shù)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)蟲害的FZ，具有良好的應(yīng)用前景7. 光電效應(yīng)獲獎愛因斯坦愛因斯坦因成功解釋了光電效應(yīng)而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎 。

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