论文：光电效应

简要探讨光电效应摘要：本文选取了光电效应这一量子力学概念作为研究对象，通过查阅相关资料文献，讲述该现象的概念、原理、意义以及目前的一些可能应用领域，从而更深刻更全面地了解此概念。关键字：光量子；空穴-电子对；半导体；波粒二象性光照射到某些物质上，有电子从物质表面发射出来的现象称之为光电效应（Photoelectriceffect）。这一现象最早是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。之后霍尔瓦克斯、J·J·汤姆孙、勒纳德分别对这种现象进行了系统研究，命名为光电效应，并得出一些实验规律。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，使其逐渐地被人们所接受。1光电效应的概念光电效应分为：外光电效应和内光电效应。光电效应中多数金属中的光电子只能从靠近金属表面内的浅层(小于μm)逸出，不能从金属内深层逸出的结论。光波能量进入金属表面后不到1的距离就基本被吸收完了。[1]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。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。分为光电导效应和光生伏特效应。[2]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。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2光电效应的实验规律1．每一种金属在产生光电效应是都存在极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。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。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。[3]3光电效应和电磁理论的矛盾处在光电效应中，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。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。4光电效应的科学解释爱因斯坦写道：“……根据这种假设，从一点所发出的光线在不断扩大的空间中的传播时，它的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限的，局限于空间中某个地点的“能量子”(energyquanta)所组成的。这些能量子是不可分割的，它们只能整份地被吸收或发射。”组成光的能量的这种最小的基本单位，爱因斯坦后来把它们叫做“光量子”(lightquanta)。当光照射到金属表面时，能量为hv的光子被电子所吸收，电子把这份能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分用来提供电子离开金属表面时的动能。写成公式：,这很好地解释了光电效应的实验规律。[4]5光电效应的物理意义光电效应现象是赫兹在做验证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。6光在本质上到底是一种什么东西——微粒说和波动说古希腊时代的人们倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。十七世纪初格里马第由水波的衍射联想到光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。胡克在1665年出版的《显微术》一书中明确地支持波动说。惠更斯成功地证明和推导了光的反射和折射定律。粒子说，牛顿从粒子的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。托马斯.杨的光的双缝干涉实验。菲涅耳革命性地认为光是一种横波圆满地解释了光的衍射和偏振问题。1887年赫兹证实了麦克斯韦的光是电磁波的一种的理论预言。19世纪后期，先后发现了X射线，放射性元素，电子。1909年爱因斯坦有了光的波粒二象性的思想，才结束了关于光的本质这一持久的争论。7光电效应在材料方面的应用发光材料：X光照射到物体后，在吸收过程中会遇到使它削弱的情况，最常见的是光电效应。光电效应将产生大量的次级电子，这些次级电子像阴极射线发光那样，可以激发发光材料。[5]太阳能电池：太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是太阳能工作原理。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光找到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳光变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为较大的输出功率的太阳能电池方阵了。[6]金属的防腐蚀：TiO2，是一种具有良好物理和化学稳定性的N型半导体材料，在紫外光(387nm)照射下，价带电子(e-)就会被激发到导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，e-具有较强的还原性，h+具有较强的氧化性．当将Ti02涂覆于金属表面或作光阳极与金属相连时，光照激发产生的电子e-由导带进入金属中去，从而使金属的电极电位降低，抑制了金属的腐蚀．由此可以看出，Ti02对金属起的光防腐蚀作用相当于一种阴极保护效应，但与牺牲阳极法不同，Ti02在光防腐蚀过程中没有阳极溶解，从理论上说Ti02在防腐蚀作用过程中是非牺牲性的．因此，Ti02的光电化学防腐蚀特性具有广阔的应用前景。[7]8结束语一个偶然的实验现象，不仅没有被科学家们忽视，反而仔细斟酌研究，终于揭开了其神秘面纱，更进一步认识了大自然。在应用领域，以上技术有些并不完全成熟，需要我们继续努力研究，从而使其更好地为人类服务。参考文献：[1]王先明，朱佩平，艾尔肯·斯迪克，查新未；光电效应中金属与光电子的分析[2]百度百科[3]杨兵初，大学物理学下册，高等教育出版社[4]曹天元《上帝掷骰子吗》，辽宁教育出版社[5]徐叙瑢《营造绚丽多彩的光世界——发光学趣谈》清华大学出版社[6]姜民,北京大学附属中学;半导体内光电效应及其应用简介[7]武朋飞，李谋成，肖美群，刘冬，沈嘉年，上海材料研究所;TiO2薄膜的光电效应在金属防腐蚀中的应用