光电效应测普朗克常数
1、E=hv-W。
一束光打到一块金属上，光的频率是v ，我们知道 hv 是一个光子的能量，即这束光的最小的能量，金属中电子要摆脱原子核的束缚飞出金属表面就需要吸收能量，及吸收一个光子，但是如果光子的能量不足以让电子飞出金属表面，电子式飞不出来的，我们就没看到有光电子。
若是能量大于所需能量（即逸出功W），就可以发生光电效应（更确切的说是外光电效应，还有一个就是内光电效应，即吸收了光子发生跃迁，没有脱离金属），并且多余的能量转化为光电子的动能，即E。
2、太阳能电池、光电传感器（光控路灯、数码照相机、光敏电阻、二极管、三极管等）。
3、电子克服原子核的束缚,从材料表面逸出所需的最小能量,称为逸出功。
4、可以，减速电位法，用能量守恒定律 但是一部分被吸收，一部分逸出，你测得的只是逸出功率 但是这只能做参考，因为测量存在不确定度，变量很多，你无精确控制。
5、光电管窗口。
什么叫光电效应
光电效应是物理学中一个重要而神奇象，在光的照射下些物质内部的电子会被激发出来而形成电流，即光生电 。
光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。
科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。
光电效应光电效应理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。
光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。
科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。
折叠编辑本段详细介绍光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。
这类光致电变的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。
这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。
1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯(Wilhelm Hallwachs)证实是由于在放电间隙内出现荷电体的缘故。
1899年，J·J·汤姆孙通过实验证实该荷电体与阴极射线一样是电子流。
1899—1902年间，勒纳德(P·Lenard)对光电效应进行了系统研究，并命名为光电效应。
1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。
1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。
折叠光电效应1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric effect)。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应(金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，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，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。
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。
还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，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，飞出金属表面。
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。
正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。
光电效应里电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关。
光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。
光电效应说明了光具有粒子性。
相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。
只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。
当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。
在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。
但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。
所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度(即单位时间内通过单位垂直面积的光能)决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。
折叠意义光电效应现象是赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时偶然发现的，而这一现象却成了突破麦克斯韦电磁理论的一个重要证据。
爱因斯坦在研究光电效应时给出的光量子解释不仅推广了普朗克的量子理论，证明波粒二象性不只是能量才具有，光辐射本身也是量子化的，同时为唯物辩证法的对立统一规律提供了自然科学证据，具有不可估量的哲学意义。
这一理论还为波尔的原子理论和德布罗意物质波理论奠定了基础。
密立根的定量实验研究不仅从实验角度为光量子理论进行了证明，同时也为波尔原子理论提供了证据。
1921年，爱因斯坦因建立光量子理论并成功解释了光电效应而获得诺贝尔物理学奖。
1922年，玻尔原子理论也因密立根证实了光量子理论而获得了实验支持，从而获得了诺贝尔物理学奖。
1923年，密立根“因测量基本电荷和研究光电效应”获诺贝尔物理学奖。
折叠方程在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下方程：光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能代数形式：其中h是普朗克常数，ν是入射光子的频率，是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，是被射出的电子的最大动能，ν0是光电效应发生的阈值频率，m是被发射电子的静止质量，v是被发射电子的速度，：如果光子的能量(hν)不大于功函数(ϕ)，就不会有电子射出。
功函数有时又以W标记。
这个方程与观察不符时(即没有射出电子或电子动能小于预期)，可能是因为某些能量以热能或辐射的形式散失了。
折叠编辑本段历史介绍光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。
1887年，首先是赫兹(M.Hertz)在证明波动理论实验中首次发现的。
当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。
大约1900年，马克思·普朗克(Max Planck)对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量(quantised)这一理论。
他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=hν ，E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一个常数，统称布兰科(普朗克)常数(Planck's constant)，而ν就是光源的频率。
也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。
但就是布兰科(普朗克)自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。
1902年，勒纳(Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。
但无法根据当时的理论加以解释1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。
他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。
而Ek就是电子自由后具有的动能。
折叠编辑本段相关介绍折叠实验过程1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。
赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波;另一套作为接收器。
他意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。
赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。
1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯(Wilhelm Hallwachs)证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。
1899年，J.J.汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。
这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光(特别是紫外光)照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。
1899—1902年，勒纳德(P.Lenard，1862—1947)对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。
为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。
他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总结出了光电效应的一些实验规律。
根据动能定理：qU=mv²\\\/2，可计算出发射出电子的能量。
可得出：hf=(1\\\/2)mv²+I+W深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。
有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。
勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。
勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。
勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。
但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。
折叠发现规律通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律：1.每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率(或称截止频率)，即照射光的频率不能低于某一临界值。
相应的波长被称做极限波长(或称红限波长)。
当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。
2.光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。
3.光电效应的瞬时性。
实验发现，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，即几乎在照到金属时立即产生光电流。
响应时间不超过十的负九次方秒(1ns)。
4.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。
在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。
折叠与经典理论的矛盾在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。
根据经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电磁波的频率无关。
而实验规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。
第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。
光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。
所有这些实际上已经曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。
光电效应分为：外光电效应和内光电效应。
内光电效应是被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴)仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。
外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。
折叠外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。
外光电效应的一些实验规律a.仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ0叫做极限波长。
不同物质的极限频率和相应的极限波长λ0 是不同的。
一些金属的极限波长(单位：埃)：铯钠锌银铂 65205400372026001960 b.光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。
这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。
c.在光的频率不变的情况下，入射光越强，的那位时间内阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子数目越多d.从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过10的-9次方秒;停止用光照射，光电流也就立即停止。
这表明，光电效应是瞬时的。
e.爱因斯坦方程：hν=(1\\\/2)mv^2+I+W式中(1\\\/2)mv^2是脱出物体的光电子的初动能。
金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为 hυ=(1\\\/2)mv^2+W 假如hυ 对于一定的金属，产生光电效应的最小光频率(极限频率) v是被发射电子的速度注：如果光子的能量(hf)不大于功函数(φ)，就不会有电子射出。 功函数有时又以W标记。 这个算式与观察不符时(即没有射出电子或电子动能小于预期)，可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖。 基于外光电效应的电子元件有光电管、光电倍增管。 光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。 折叠内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。 分为光电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。 1 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。 当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 2 光生伏特效应 在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。 基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。 ①势垒效应(结光电效应)光照射PN结时，若hf≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。 ②侧向光电效应(丹培效应)当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。 ③光电磁效应半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的霍尔效应。 ④贝克勒耳效应是指液体中的光生伏特效应。 当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒耳效应。 感光电池的工作原理基于此效应。 ⑤紫外线光电效应当紫外线照射到某些金属的表面时，金属内部的自由电子逸出金属表面，这种紫外线的光致电子发射构成了紫外线光电效应的内容之一。 早在1887年德国物理学家(1857~1894)在研究紫外线辐射时，首先发现光电发射现象。 在1888年光电发射有被俄国物理学家斯托列托夫(1839~1896)用实验证明了这一现象。 3 光子牵引效应当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。 结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。 这个现象被称为光子牵引效应。 折叠爱因斯坦光量子解释1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广。 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，每一个光量子的能量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。 爱因斯坦光电效应方程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。 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：hf=(1\\\/2)mv^2+Φ这就是爱因斯坦光电效应方程。 其中，h是普朗克常数;f是入射光子的频率功函数Φ是功函数，指从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，表达式如右图，其中f0是光电效应发生的阀值频率，即极限频率;功函数有时又以W或A标记。 动能表达式E(kmax)是逸出电子的最大动能，如右图;m是被发射电子的静止质量;vm是被发射电子逸出时的初速度。 注：这个算式与观察不符时(即没有射出电子或电子动能小于预期)，可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 实验电路根据爱因斯坦光量子理论，光电效应中光电子的能量决定于照射光的频率，而与照射光的强度无关，故可以解释实验规律的第一、第二两条。 其中的极限频率是指光量子的能量刚好满足克服金属逸出功的光量子频率，而不同的金属电子逸出所需要的能量不同，所以不同金属的极限频率不同。 对第三条，由于当光量子的能量足够，不管光强(只决定于光量子的数目)如何，电子在吸收了光量子后都可马上逸出，故可立即产生光电效应，不需要积累过程。 当光照射到金属表面时，其强度越大表明光量子数越多，它被金属中电子吸收的可能性越大，因此就可以解释为什么被打出的电子数只与光的强度有关而与光的频率无关。 折叠光量子解释的实验验证爱因斯坦用光量子理论对光电效应提出理论解释后，最初科学界的反应是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理学家也不接受光量子假说。 尽管理论与已有的实验事实并不矛盾，但当时还没有充分的实验来支持爱因斯坦光电效应方程给出的定量关系。 直到1916年，光电效应的定量实验研究才由美国物理学家密立根完成。 密立根对光电效应进行了长期的研究，经过十年之久的试验、改进和学习，有效地排除了表面接触电位差等因素的影响，获得了比较好的单色光。 他的实验非常出色，于1914年第一次用实验验证了爱因斯坦方程是精确成立的，并首次对普朗克常数h作了直接的光电测量，精确度大约是0.5%(在实验误差范围内)。 1916年密立根发表了他的精确实验结果，他用6种不同频率的单色光测量反向电压的截止值与频率关系曲线关系，这是一条很好的直线，从直线的斜率可以求出的普朗克常数。 结果与普朗克1900年从黑体辐射得到的数值符合得很好。 折叠衍生(一)反常光生伏特效应：光生伏特效应一般光生电压不会超过Vg=Eg\\\/e,但某些薄膜型半导体被强白光照射会出现比Vg高的多的光生电压，称反常光生伏特效应。 (已观察到5000V的光生电压)70年代又发现光铁电体的反常光生伏特效应(APV)可产生1000V到100000V的电压，且只出现在晶体自发极化方向上，光生电压：V=(Jc\\\/(σD+△σl))l(二)贝克勒尔效应：将两个同样的电极浸在电解液中，其中一个被光照射，则在两电极间产生电位差，称为贝克勒尔效应。 (有可能模仿光合作用制成高效率的太阳能电池)(三)光子牵引效应：当一束光子能量不足以引起电子-空穴产生的激光照射在样本上，可在光束方向上于样本两端建立电势差VL，其大小与光功率成正比，称为光子牵引效应。 (四)俄歇效应(1925年法国人俄歇)用高能光子或电子从原子内层打出电子，同时产生确定能量的电子(俄歇电子)，使原子、分子称为高阶离子的现象称为俄歇效应。 应用：俄歇电子能谱仪用于表面分析，可辨别不同分子的“指纹”。 光电效应(五)光电流效应(1927年潘宁)放电管两级间有光致电压(电流)变化称为光电流效应。 (1)：低压气体可以放电(约100Pa的惰性气体)(2)：空间电荷效应与辉光放电：放电管中由阴极到阳极存在7个不同的区域：1：阿斯顿暗区：靠近阴极很薄的一层暗区。 原因：从阴极由正离子轰击出的二次电子动能很小，不足以激发原子发光。 2：阴极辉区：继阿斯顿暗区后很薄的发光层。 3：阴极暗区：电子从阴极达到该区，获能量越来越大，超过原子电离能，引起大量碰撞电离，雪崩电离过程集中发生在这里。 产生电离后电子很快离开，这里形成了很强的正空间电荷，引起电场分布畸变，管压大部分降在此处和阴极间以上三区为阴极位降区。 4：负辉区：是发光最强的区域。 电子在负辉区产生许多激发碰撞发出明亮的辉光。 5：法拉第暗区：电子在负辉区损失能量，进入此区无足够的能量产生激发。 6：正柱区：在此区电子密度与正离子密度相等，净空间电荷为零，因此又称等离子区。 7：阳极区：可看到阳极暗区和阳极辉区。 应用：气体放电器件，如气体放电灯(荧光灯、霓虹灯、原子光谱灯、氖泡)、稳压管、冷阴极闸流管等。 激光器中用正柱区实现粒子束反转，粒子束装置中冷阴极离子源，半导体工艺中等离子体刻蚀，薄膜溅射沉积，等离子体化学沉积等。 (3)：光电流效应机理：亚稳态(寿命约10^(-4)s到10^(-2)s)原子较中性原子易于电离，多产生一些激发原子，尤其是亚稳态原子，可能改变放电管中载流子浓度。 (4)：光电流光谱技术应用：光电流光谱无需常规光谱仪的光学系统，从紫外、可见、红外到微波都可产生光电流效应。 光电流光谱有8个数量级的动态范围，灵敏度高、噪声小，是一种超灵敏的光谱技术。 (1976年格林等用激光证实光电流光谱)(5)：焦希效应：当用可见光连续辐照以空气或绝缘气体为介质的气体电容器时，流经电容器的低频电流将发生变化，称为焦希效应。 (6)：马尔特效应：当放电管阴极表面有金属氧化膜，正离子轰击表面时，二次电子发射作用增强，称为马尔特效应。 折叠制造光电倍增管光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。 算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式：光子能量 = 移出一个电子所需的能量+ 被发射的电子的动能代数形式： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1\\\/2)mv^2 其中 h是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是入射光子的频率，φ是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量， f0是光电效应发生的阀值频率，Em是被射出的电子的最大动能， m是被发射电子的静止质量， v是被发射电子的速度，注：如果光子的能量(hf)不大于功函数(φ)，就不会有电子射出。 功函数有时又以W标记。 这个算式与观察不符时(即没有射出电子或电子动能小于预期)，可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 光控制电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，右上图是光控继电器的示意图，它的工作原理是：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。 光电倍增管利用光电效应还可以制造多种光电器件，如光电倍增管、电视摄像管、光电管、电光度计等，这里介绍一下光电倍增管。 这种管子可以测量非常微弱的光。 右下图是光电倍增管的大致结构，它的管内除有一个阴极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。 折叠农业病虫害防治农业虫害的治理需要依据为害昆虫的特性提出与环境适宜、生态兼容的技术体系和关键技术。 为害昆虫表现了对敏感光源具有个体差异性和群体一贯性的趋光性行为特征，并通过视觉神经信号响应和生理光子能量需求的方式呈现出生物光电效应的作用本质。 利用昆虫的这种趋性行为诱导增益特性，一些光电诱导杀虫灯技术以及害虫诱导捕集技术广泛地应用于农业虫害的防治，具有良好的应用前景。 光电效应概述 光照射到某质上，引起物质的质发生变化，也就是光能量转换成电能。 这类光致电变象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。 这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs)证实是由于在放电间隙内出现荷电体的缘故。 1899年，J·J·汤姆孙通过实验证实该荷电体与阴极射线一样是电子流。 1899—1902年间，勒纳德（P·Lenard）对光电效应进行了系统研究，并命名为光电效应。 1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。 1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。 光电效应编辑本段简介 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。 前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。 后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。 赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。 金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，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，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。 临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的频率而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。 还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，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，飞出金属表面。 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。 正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。 光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响. 光电效应说明了光具有粒子性。 相对应的，光具有波动性最典型的例子光的色散。 只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。 当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。 在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。 但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。 所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。 光电效应编辑本段理论发展历史 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。 1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。 当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。 大约1900年， 马克思·布兰科（Max Planck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。 他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=hf ， E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一个常数，统称布兰科（普朗克）常数（Planck's constant）， 而f就是光源的频率。 也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。 但就是布兰科（普朗克）自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。 1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。 但无法根据当时的理论加以解释 ； 1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。 他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。 而Ek就是电子自由后具有的动能。 光电效应编辑本段实验研究 1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。 赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套作为接收器。 他意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。 赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。 1899年，J•J•汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。 这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。 光电效应1899—1902年，勒纳德（P•Lenard，1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”。 为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。 他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总结出了光电效应的一些实验规律。 根据动能定理：qU=mv^2\\\/2，可计算出发射出电子的能量。 可得出：hf=(1\\\/2)mv^2+I+W 深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾，但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。 勒纳德在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照射到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，电子就以其自身的速度从原子内部逸出。 勒纳德认为，原子里电子的振动频率是特特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。 勒纳德的假说在当时很有影响，被一些物理学家接受。 但是，不久，勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。 当时，还有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。 编辑本段实验规律 通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律： 1、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。 相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。 当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。 2、光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。 3、光电效应的瞬时性。 实验发现，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，响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。 光电效应4、入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。 编辑本段与经典理论的矛盾 在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。 根据经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电磁波的频率无关。 而实验规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。 第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。 光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响. 所有这些实际上已经曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。 光电效应编辑本段光电效应的分类 光电效应分为：外光电效应和内光电效应。 内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。 外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。 外光电效应 在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。 外光电效应的一些实验规律 a．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ0叫做极限波长。 不同物质的极限频率和相应的极限波长λ0 是不同的。 一些金属的极限波长(单位：埃)： 铯 钠 锌 银 铂 6520 5400 3720 2600 1960 b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。 这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。 c．阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子束和照射发光强度成正比。 d．从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过10的-9次方秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。 这表明，光电效应是瞬时的。 e．爱因斯坦方程：hν=(1\\\/2)mv^2+I+W 式中(1\\\/2)mv^2是脱出物体的光电子的初动能。 金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为 hυ=(1\\\/2)mv^2+W 假如hυ 对于一定的金属，产生光电效应的最小光频率(极限频率) u0。 由 hυ0=W确定。 相应的极限波长为 λ0=C\\\/υ0=hc\\\/W。 发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加，因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。 算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式： 光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能 代数形式： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1\\\/2)mv^2 其中 h是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是入射光子的频率， φ是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量， f0是光电效应发生的阀值频率， Em是被射出的电子的最大动能， m是被发射电子的静止质量， v是被发射电子的速度 注：如果光子的能量（hf）不大于功函数（φ），就不会有电子射出。 功函数有时又以W标记。 这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖 。 基于外光电效应的电子元件有光电管、光电倍增管。 光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。 光电效应内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。 分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。 1 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。 当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 2 光生伏特效应 在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。 基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。 ① 势垒效应（结光电效应） 光照射PN结时，若h?≥Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。 ② 侧向光电效应（丹培效应） 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。 ③ 光电磁效应 半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的霍尔效应。 ④ 贝克勒耳效应 是指液体中的光生伏特效应。 当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒耳效应。 感光电池的工作原理基于此效应。 3 光子牵引效应 当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。 结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。 这个现象被称为光子牵引效应。 光电效应编辑本段爱因斯坦光量子解释 1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广。 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。 爱因斯坦光电效应方程 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。 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：hf=(1\\\/2)mv^2+Φ 这就是爱因斯坦光电效应方程。 其中，h是普朗克常数；f是入射光子的频率； 光电效应功函数 Φ是功函数，指从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，表达式如右图，其中f0是光电效应发生的阀值频率，即极限频率；功函数有时又以W或A标记。 动能表达式 E(kmax)是逸出电子的最大动能，如右图；m是被发射电子的静止质量；vm是被发射电子逸出时的初速度。 注：这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 实验电路 根据爱因斯坦光量子理论，光电效应中光电子的能量决定于照射光的频率，而与照射光的强度无关，故可以解释实验规律的第一、第二两条。 其中的极限频率是指光量子的能量刚好满足克服金属逸出功的光量子频率，而不同的金属电子逸出所需要的能量不同，所以不同金属的极限频率不同。 对第三条，由于当光量子的能量足够，不管光强（只决定于光量子的数目）如何，电子在吸收了光量子后都可马上逸出，故可立即产生光电效应，不需要积累过程。 当光照射到金属表面时，其强度越大表明光量子数越多，它被金属中电子吸收的可能性越大，因此就可以解释为什么被打出的电子数只与光的强度有关而与光的频率无关。 编辑本段光量子解释的实验验证 爱因斯坦用光量子理论对光电效应提出理论解释后，最初科学界的反应是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理学家也不接受光量子假说。 尽管理论与已有的实验事实并不矛盾，但当时还没有充分的实验来支持爱因斯坦光电效应方程给出的定量关系。 直到1916年，光电效应的定量实验研究才由美国物理学家密立根完成。 密立根对光电效应进行了长期的研究，经过十年之久的试验、改进和学习，有效地排除了表面接触电位差等因素的影响，获得了比较好的单色光。 他的实验非常出色，于1914年第一次用实验验证了爱因斯坦方程是精确成立的，并首次对普朗克常数h作了直接的光电测量，精确度大约是0.5%(在实验误差范围内)。 1916年密立根发表了他的精确实验结果，他用6种不同频率的单色光测量反向电压的截止值与频率关系曲线关系，这是一条很好的直线，从直线的斜率可以求出的普朗克常数。 结果与普朗克1900年从黑体辐射得到的数值符合得很好。 光电效应编辑本段光电效应的衍生 (一)反常光生伏特效应： 光生伏特效应 一般光生电压不会超过Vg=Eg\\\/e,但某些薄膜型半导体被强白光照射会出现比Vg高的多的光生电压，称反常光生伏特效应。 （已观察到5000V的光生电压） 70年代又发现光铁电体的反常光生伏特效应（APV）可产生1000V到100000V的电压，且只出现在晶体自发极化方向上， 光生电压：V=(Jc\\\/(σD+△σl))l (二)贝克勒尔效应： 将两个同样的电极浸在电解液中，其中一个被光照射，则在两电极间产生电位差，称为贝克勒尔效应。 （有可能模仿光合作用制成高效率的太阳能电池） (三)光子牵引效应： 当一束光子能量不足以引起电子-空穴产生的激光照射在样本上，可在光束方向上于样本两端建立电势差VL，其大小与光功率成正比，称为光子牵引效应。 (四)俄歇效应（1925年法国人俄歇） 用高能光子或电子从原子内层打出电子，同时产生确定能量的电子（俄歇电子），使原子、分子称为高阶离子的现象称为俄歇效应。 应用：俄歇电子能谱仪用于表面分析，可辨别不同分子的“指纹”。 光电效应 (五)光电流效应（1927年潘宁） 放电管两级间有光致电压（电流）变化称为光电流效应。 （1）：低压气体可以放电（约100Pa的惰性气体） （2）：空间电荷效应与辉光放电： 放电管中由阴极到阳极存在7个不同的区域： 1：阿斯顿暗区：靠近阴极很薄的一层暗区。 原因：从阴极由正离子轰击出的二次电子动能很小，不足以激发原子发光。 2：阴极辉区：继阿斯顿暗区后很薄的发光层。 3：阴极暗区：电子从阴极达到该区，获能量越来越大，超过原子电离能，引起大量碰撞电离，雪崩电离过程集中发生在这里。 产生电离后电子很快离开，这里形成了很强的正空间电荷，引起电场分布畸变，管压大部分降在此处和阴极间 以上三区为阴极位降区。 4：负辉区：是发光最强的区域。 电子在负辉区产生许多激发碰撞发出明亮的辉光。 5：法拉第暗区：电子在负辉区损失能量，进入此区无足够的能量产生激发。 6：正柱区：在此区电子密度与正离子密度相等，净空间电荷为零，因此又称等离子区。 7：阳极区：可看到阳极暗区和阳极辉区。 应用：气体放电器件，如气体放电灯（荧光灯、霓虹灯、原子光谱灯、氖泡）、稳压管、冷阴极闸流管等。 激光器中用正柱区实现粒子束反转，粒子束装置中冷阴极离子源，半导体工艺中等离子体刻蚀，薄膜溅射沉积，等离子体化学沉积等。 （3）：光电流效应机理：亚稳态（寿命约10^(-4)s到10^(-2)s）原子较中性原子易于电离，多产生一些激发原子，尤其是亚稳态原子，可能改变放电管中载流子浓度。 （4）：光电流光谱技术应用：光电流光谱无需常规光谱仪的光学系统，从紫外、可见、红外到微波都可产生光电流效应。 光电流光谱有8个数量级的动态范围，灵敏度高、噪声小，是一种超灵敏的光谱技术。 （1976年格林等用激光证实光电流光谱） （5）：焦希效应：当用可见光连续辐照以空气或绝缘气体为介质的气体电容器时，流经电容器的低频电流将发生变化，称为焦希效应。 （6）：马尔特效应：当放电管阴极表面有金属氧化膜，正离子轰击表面时，二次电子发射作用增强，称为马尔特效应。 编辑本段光电效应的应用 制造光电倍增管 光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。 算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式： 光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能 代数形式： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1\\\/2)mv^2 其中 h是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是入射光子的频率， φ是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量， f0是光电效应发生的阀值频率， Em是被射出的电子的最大动能， m是被发射电子的静止质量， v是被发射电子的速度， 注：如果光子的能量（hf）不大于功函数（φ），就不会有电子射出。 功函数有时又以W标记。 这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 光控制电器 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，右上图是光控继电器的示意图，它的工作原理是：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 利用光电效应还可以制造多种光电器件，如光电倍增管、电视摄像管、光电管、电光度计等，这里介绍一下光电倍增管。 这种管子可以测量非常微弱的光。 右下图是光电倍增管的大致结构，它的管内除有一个阴极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。 农业病虫害防治 农业虫害的治理需要依据为害昆虫的特性提出与环境适宜、生态兼容的技术体系和关键技术。 为害昆虫表现了对敏感光源具有个体差异性和群体一贯性的趋光性行为特征，并通过视觉神经信号响应和生理光子能量需求的方式呈现出生物光电效应的作用本质。 利用昆虫的这种趋性行为诱导增益特性，一些光电诱导杀虫灯技术以及害虫诱导捕集技术广泛地应用于农业虫害的防治，具有良好的应用前景。 编辑本段意义 光电效应现象是赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时偶然发现的，而这一现象却成了突破麦克斯韦电磁理论的一个重要证据。 爱因斯坦在研究光电效应时给出的光量子解释不仅推广了普朗克的量子理论，证明波粒二象性不只是能量才具有，光辐射本身也是量子化的，同时为唯物辩证法的对立统一规律提供了自然科学证据，具有不可估量的哲学意义。 这一理论还为波尔的原子理论和德布罗意物质波理论奠定了基础。 爱因斯坦密立根的定量实验研究不仅从实验角度为光量子理论进行了证明，同时也为波尔原子理论提供了证据。 1921年，爱因斯坦因建立光量子理论并成功解释了光电效应而获得诺贝尔物理学奖。 1922年，玻尔原子理论也因密立根证实了光量子理论而获得了实验支持，从而获得了诺贝尔物理学奖。 1923年，密立根“因测量基本电荷和研究光电效应”获诺贝尔物理学奖。 光电效应 1)概述 在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。 (2)说明 ①光电效应的实验规律。 a．阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子数和照射发光强度成正比。 b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。 这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。 c．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率蛳叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ。 叫做红限波长。 不同物质的极限频率”。 和相应的红限波长λ。 是不同的。 几种金属材料的红限波长 金 属 铯 钠 锌 银 铂 红限波长(埃) 6520 5400 3720 2600 1960 d．从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过lOe-9秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。 这表明，光电效应是瞬时的。 ②解释光电效应的爱因斯坦方程：根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收。 电子吸收光子的能量hυ后，能量增加，不需要积累能量的过程。 如果电子吸收的能量hυ足够大，能够克服脱离原子所需要的能量(即电离能量)I和脱离物体表面时的逸出功(或叫做功函数)W，那末电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。 爱因斯坦方程是 hυ=(1\\\/2)mv2+I+W 式中(1\\\/2)mv2是脱出物体的光电子的初动能。 金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为 hυ=(1\\\/2)mv2+W 假如hυ 对于一定的金属，产生光电效应的最小光频率(极限频率) υ0。 由 hυ0=W确定。 相应的红限波长为 λ0=C\\\/υ0=hc\\\/W。 发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加，因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。 ③利用光电效应可制造光电倍增管。 光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。 1．演示实验．将锌板与验电器用导线连接，用细砂纸打磨锌板表面．把丝绸摩擦过的玻璃棒放在锌板附近，用紫外线灯照射锌板．边演示边提问：紫外线灯打开前后，验电器指针有什么变化 这一现象说明了什么问题 引导学生分析并得出结论：光线照射金属表面，金属失去了电子导致验电器指针张开一角度．明确指出光电效应是光照射金属表面，使物体发射电子的现象．照射的光可以是可见光，也可以是不可见光．发射出的电子叫光电子．说明：这个实验如果按照课本上的装置进行效果很不理想，因为紫外线照射锌板飞出电子时锌板带正电，在锌板附近形成电场又将电子吸附回去．锌板电势升到很小的值就使逸出和返回的电子达到动态平衡，很难使验电器指针明显地张开．2．进一步研究光电效应．以上实验改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应．向学生提出问题：光电效应的发生一定是有条件的，存在着一定规律．有什么规律呢 让我们进一步研究．向学生介绍光电效应演示仪．在黑板上画一示意图，如图所示．S为抽成真空的光电管，C是石英窗口，光线可通过它照射到金属板K上，金属板A和K组成一对电极与外部电路相连接．光源为白炽灯，在光源和石英窗口C之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节．观察现象一：在没有光照射K时，电压表有示数，电流表没有示数，说明什么 明确：AK之间有电场存在，但没有光电子逸出，说明没有发生光电效应．提出问题：要发生光电效应，是不是用任何频率的光线照射都行 是不是弱光线不行，只要光的强度足够大就行 是不是只要有足够大的电场电压就行 观察现象二：保持AK间电压一定，灯泡亮度一定，在窗口C前依次放上红色、橙色、绿色滤光片，观察到红光照射金属板K时没有光电流，橙光和绿光照射时有光电流．用红光照射时改变入射光的亮度和改变电场电压都不发生光电效应．让学生考虑原因．结论一：入射光线的频率大于等于该金属的极限频率 0才能产生光电效应．观察现象三：逐渐减小KA间的正向电压，直到电压为零时，电流表仍有示数，说明光电流依然存在．如果在KA间加一反向电压，则光电流变小，增大反向电压，使光电流刚好为零．提出问题；为什么KA间没有电场，仍然有光电流 也就是说仍然有光电子从K极板飞向A极板呢 在KA间加反向电压，光电子在电场中受力方向如何 电场力对光电子做正功还是负功 光电子克服电场力做功和它的动能变化关系如何呢 根据学生回答的问题引导分析：KA间没有电场仍有光电流说明光线照射金属板逸出的光电子具有一定的动能，一部分光电子可以到达极板A形成光电流．金属中的电子吸收光的能量获得动能，只有达到某一 U就可以求出光电子的最大初动能．保持反向电压和入射光的频率不变，调亮灯泡，发现光电流仍然为零．此时将入射光的频率增大，发现光电流增大，不再为零．结论二：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率增大而增大．提出问题：入射光亮度高不就是能量大吗，金属中的电子获得的能量大，初动能就应该增大，但为什么只与入射光频率有关而与光强无关呢 解释这一问题：频率一定的光，每个光子的能量为h 有关，频率越大的光，光子的能量越大．因此电子吸收了高频率的光子才能获得较大的初动能．只有初动能足够大的光电子才能克服反向电场的阻力到达极板A形成光电流．光的强度大只是光源每秒钟发射出光子的数目多，但如果是频率低的光子，每个光子的能量不大，电子吸收光子获得的能量也就较小．只不过每秒入射的光子数目多，产生光电子的数目多，所以不提高入射光的频率就无法使光电子的最大初动能增大．观察现象四：给光电管电极KA间加正向电场，以高于极限频率的光入射，保持电压不变，增加入射光的强度，发现光电流的强度增大．提出问题：入射光的强度大是什么意思 光电流的强度大是什么意思 为什么它们之间有这样的关系 根据学生的回答归纳：入射光频率不变时光的强度大是指每秒钟入射的光子频率一定，数目较多，因此每秒钟飞向极板A的光电子数多，由于到达的电子电量总和多，所以光电流较大．结论三：当入射光的频率大于极限频率时，保持频率不变，则光电流的强度与入射光的强度成正比．指出学生中可能存在的疑问：光电流的强度应该与入射光的频率有关．频率高，光电子的最大初动能大，光电子运动得快，光电流大．解释这一问题：如果入射光频率较高但强度不大，则说明每秒钟入射的光子数少．尽管每个光电子初动能较大，但每秒钟到达极板A的光电子电量总和不大，因而也就不能形成较强的光电流．说明：根据前面的实验还可以发现，光线照射金属表面，光电子发射几乎是瞬时的．3．波动理论解释不了光电效应（1）波动理论解释不了极限频率，认为光的强度由光波的振幅决定，跟频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应．但事实并非如此．（2）波动理论解释不了光电子的最大初动能，只与光的频率有关而与光的强度无关．（3）波动理论还解释不了光电效应发生的时间之短．4．介绍爱因斯坦的光子说．本节总结：学习这一节要注意区分一些主要的概念：光的强度、光子的能量、光电子的最大初动能、光电流的强度等．入射光的强度是和光电流的强度联系着的，每秒发射的光子数决定了每秒逸出的光电子数；入射光的频率是和光电子的最大初动能联系着的，每个光子的能量E=hν人类对于自然现象的认识是螺旋式上升的，科学理论是在不断发现新的现象、探索新的规律中发展和完善的． 1921年诺贝尔物理学奖授予德国柏林马克斯·普朗克物理研究所的爱因斯(Allbert Einstein ,1879-1955),以表彰他在理论物理学上的发现,特别是发现了光电效应的定律.众所周知,爱因斯坦是20世纪最杰出的理论物理学家.爱因斯坦最重要的科学贡献是在1905年创建了狭义相对论.然而在颁发1921年诺贝尔物理学奖时,却只字不提相对论的建立.诺贝尔委员会特别申明,授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖不是由于他建立了相对论,而是为了表彰他在理论物理学上的研究，特别是发现光电效应的定律。 诺贝尔物理学奖委员会主席奥利维亚（Aurivillus）为此专门写信给爱因斯坦，指明他获奖的原因不是基于相对论，并在授奖典礼上解释说：因为有些结论目前还正在接受严格的验证。 这件事说明了20世纪初，人们对待新的科学观念是何等的保守。 当然，即使是只限于光电效应定律的发现，爱因斯坦也早就该获得最高的科学嘉奖了。 量子假说是普朗克在1900年根据黑体辐射的实验和理论作出的大胆尝试。 这是物理学发展史中的一个里程碑。 但是他的量子概念只限于辐射的发射和吸收。 爱因斯坦是在他的基础上，把量子概念进一步发展成为光量子理论。 爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说两种理论长期争论的历史，认为光能量的不连续分布不但可以解释黑体辐射的规律，也应能解释光致发光、紫外光产生阴极射线（即光电效应）、电离现象等实验事实。 1905年，他在“关于光的产生和转化的一个试探性观点”一文（图21－1）中提出了这一理论，认为光辐射的能量是一束一束地集中在光子（或光量子）上，光子的能量是E＝hν，式中ν是光的频率，h是普朗克常数。 爱因斯坦根据能量守恒原理，得：eV＝hν－W其中e为电子电荷，V为遏止电压，eV等于电子逸出金属表面的最大动能，W为电子逸出金属表面需作的功。 这个方程就叫爱因斯坦光电方程。 在这个方程中不出现光的强度，可见电子的最大速度与光强无关。 这个方程不但解释了遏止电压，而且还预言遏止电压与频率的线性关系。 然而这个线性关系在1905年爱因斯坦发表论文时，还没有人从实验中得到过，因为要测量不同频率下纯粹由光辐射引起的微弱电流并不是一件容易的事。 一方面是由于理论没有得到实验的验证；另一方面，勒纳德（P.Lenard）的触发假说占了上风，更重要的是，经典理论的传统观念束缚了人们的思想，因此，爱因斯坦的光量子理论和光电方程长期没有得到普遍承认。 甚至相信量子概念的一些著名物理学家都反对他，就连能量子假说的提出者普朗克自己也持否定态度，认为爱因斯坦走得太远了。 为了检验爱因斯坦的光电方程，实验物理学家开展了全面的实验研究。 主要困难在于电极表面有接触电势差存在，氧化膜也会影响实验结果。 只是经过许多人长期的研究，才逐渐克服这些困难。 直到1914年，密立根作出了关键性的实验，精确可靠地对爱因斯坦的光电方程进行全面的验证。 到了这个时候，爱因斯坦的光电效应理论才得到科学界的普遍接受。 爱因斯坦创建相对论虽然没有列入1921年诺贝尔物理学奖的成果之中，但是世人早已普遍把这项成果看成是爱因斯坦最伟大的科学贡献。 当然，这也是由于爱因斯坦善于批判地继承前人的遗产所作出的创造性成果。 应该说，在爱因斯坦之前，物理学已经为相对论的问世准备了必要的条件。 首先是麦克斯韦的电磁理论。 这个理论不但把电学和磁学统一为一体，而且还预见到了电磁波的传播速度等于光速。 其次是光学实验，19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。 然而，这个结论却与力学中的伽利略变换相抵触。 迈克耳孙－莫雷实验为代表的以太漂移实验和其它许多实验得到互相矛盾的结果。 为了解决这些矛盾，洛伦兹在1892年一方面提出了长度收缩假说，用以解释以太漂移的零结果；另一方面发展了动体的电动力学。 他假设以太是绝对静止的，从他的电磁理论推出了菲涅耳曳引系数。 随后，又在1895年与1904年先后建立一阶与二阶变换理论，他力图使电磁场方程适用于不同的惯性坐标系。 然而尽管他的理论能够解释一些现象（例如能解释为什么探测不到地球相对于以太的运动），但却是在保留以太的前提下，采取修补的办法，人为地引入了大量假设，致使概念繁琐，理论庞杂，缺乏逻辑的完备性和体系的严密性。 法国著名科学家庞加莱对洛伦兹理论起过积极作用。 他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。 他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。 他的批评促使洛伦兹提出时空变换的方程式。 1904年庞加莱正式表述了相对性原理。 他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。 因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。 ”庞加莱还对洛伦兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。 然而庞加莱也没有跳出绝对时空观的框架，他们已经走到了狭义相对论的边缘，却没能创立狭义相对论。 历史的重任只能由没有传统思想包袱而有独立批判精神的年轻学者爱因斯坦来承担。 深入的哲学思考，使他具有强烈的批判精神。 他在年轻时阅读了戴维、休谟、恩斯特，特别是马赫的哲学著作。 康德的《纯粹理性批判》，马赫的《力学史评》都给了他深刻的影响。 1902年前后，爱因斯坦和几位年轻朋友组成“奥林比亚科学院”，每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、庞加莱等人的科学和哲学著作。 斯宾诺莎关于自然界统一的思想，休谟的时空观，马赫对牛顿绝对时空观的批判都引起爱因斯坦极大的兴趣。 爱因斯坦很了解电磁理论发展中遇到了一个难以克服的矛盾，这就是当把电磁理论运用到运动物体时，在理论体系上出现了明显的不自洽。 由此得出的结论不能够用普通力学知识解释，这个知识就是大家都知道的速度相加原理。 是在旧理论框架中修修补补，还是与传统观念彻底决裂 每位研究电磁理论的物理学家都面临着这样一个问题。 许多著名的物理学家大都倾向于前者，有的人下了很大功夫来修补已有的电磁理论，虽取得了一定进展，但是越修补，问题就越复杂。 只有那些具有无畏精神、没有包袱的科学家，才能摆脱传统的束缚。 爱因斯坦在这方面给我们作出了光辉的范例。 爱因斯坦1879年3月14日出生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭里。 一年后，全家迁居慕尼黑。 父亲和任电气工程师的叔父在那里合办了一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工厂。 在叔父的影响下，爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。 但爱因斯坦小时并不显得才华出众，很晚才会说话，直到5岁还说不清楚，曾被医生认为发育不正常。 不过，小阿尔伯特很爱思考，总是向大人盘问“为什么 ”四五岁时，他就有强烈的求知欲，常对新鲜事物感到新奇。 例如：对指南针曾发生过浓厚兴趣。 后来对几何定理的神奇也深有触动。 1894年，全家迁到意大利米兰，爱因斯坦留在慕尼黑上中学，他厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育，后来放弃学籍也去了米兰，1895年转学瑞士阿劳市的州立中学。 爱因斯坦16岁就通过自学掌握了微积分。 爱因斯坦最喜欢的是电磁学，这也许跟他的家庭背景有联系，父亲和叔父的电气作坊涉及许多电气问题，叔父本人是电气工程师，曾获得多项发明专利。 1896年爱因斯坦进苏黎世联邦工业大学学习物理学。 就在学习过程中，爱因斯坦开始了创新活动。 他从16岁起就在思考一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线，就好像一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。 可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情”。 爱因斯坦百思不得其解。 随着年龄的增长，他对电磁学的学习和研究越加深入，也越来越感到当时电磁学的内容存在许多问题，无法解决这一矛盾。 后来，他读到洛伦兹1895年关于电动力学的论文，对洛伦兹提出的方程发生了兴趣。 他很欣赏洛伦兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体的参照系。 当时他试图用洛伦兹的理论解决追光问题，但却发现要保持洛伦兹方程对以光速运动的参照系同样有效，必然导致光速不变的结论，而光速不变的结论明显地与力学的速度合成法则相抵触。 为什么这两个基本原理会互相抵触呢 这里面必有原因，爱因斯坦日夜苦思。 经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。 在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮他摆脱了困境。 那是一个晴朗的日子，他带着这个问题访问了贝索。 两人认真讨论了这个问题的每一个细节。 忽然爱因斯坦领悟到这个问题的症结所在。 他想到时间概念有问题，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间应该有不可分割的联系。 建立了这一新概念，爱因斯坦心里豁然开朗，第一次彻底地解决了这个难题。 不出五个星期，爱因斯坦就势如破竹地拟就了整个狭义相对论的框架，并以“论动体的电动力学”为题发表（图21－2）。 其时他不过是一位26岁默默无闻的专利局三级技术员。 狭义相对论建立之后，爱因斯坦并不就此止步，他继续研究狭义相对论没有解决的问题。 例如：为什么惯性坐标系在物理学中比其它坐标系更优越 为什么惯性质量会随能量变化 为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度 爱因斯坦坚信这些问题可以得到解决，因为自然界应该是和谐、统一的，他认识到狭义相对论并不是万能的，必须进一步发展。 从1907年起，爱因斯坦就在思考如何突破狭义相对论的框架，以解决惯性与重量之间的不协调。 跟狭义相对论的创建经过一样，他又是经过长时间的苦思，终于有一天找到了突破口。 当时他正坐在伯尔尼专利局的办公室里，脑子里突然闪现了一个念头：如果一个人正在自由下落，他决不会感到他没有重量。 他想：下落的人正在作加速运动，可是在这个加速参照系中，他有什么感觉 他怎样判断面前发生的事情 可见，引力场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。 在这个基础上，爱因斯坦在1916年发表了总结性论文：《广义相对论的基础》。 爱因斯坦对自己创建的相对论充满信心。 他当然很关心这个理论是否符合实际，是不是真正反映了客观世界的规律性。 所以他特别提出了许多实验检验相对论的方案，既包括狭义相对论，也包括广义相对论。 例如，爱因斯坦曾经预言，根据广义相对论，引力场中光线会发生弯曲现象。 通过这一弯曲现象的测量，有可能验证广义相对论。 爱因斯坦1911年著文指出，光线经过太阳附近会由于太阳引力的作用而产生的弯曲偏角应为0.83″，并且指出这一现象可在日全蚀时进行观测。 1916年爱因斯坦又一次研究这一问题，重新计算的结果为1.7″。 1919年日全蚀期间，英国皇家学会派出天文学家爱丁顿等人赴西非和拉美观测。 两处观测的结果分别为1.61″和1.98″，与理论计算基本相符。 这件事使爱因斯坦名声大振。 到了这个时候，相对论才得到人们的重视。 1921年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖，虽然没有提到相对论，但是颁奖是在1919年日全蚀观测之后，显然是因为事实证明了爱因斯坦理论的正确性。 而爱因斯坦在领取诺贝尔奖时所作的演说词题目就是：“相对论的基本思想和问题”。光电效应是什么
谁可以给我详细解释一下光电效应
爱因斯坦在物理学上有哪些重要的贡献
