愛(ài)華網(wǎng)光電現(xiàn)象由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛(ài)因斯坦所提出。科學(xué)家們對(duì)光電效應(yīng)的深入研究對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性的作用。
中文名： 光電效應(yīng)
外文名： Photoelectric effect
發(fā)現(xiàn)年代： 1887年赫茲
正確解釋： 愛(ài)因斯坦
所屬學(xué)科： 物理學(xué)
現(xiàn)象： 物質(zhì)內(nèi)部電子被激發(fā)出來(lái)形成電流
光電效應(yīng)概述
光電效應(yīng)中的光量子模型圖
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，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。
這一現(xiàn)象是1887年赫茲在實(shí)驗(yàn)研究麥克斯韋電磁理論時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的。
1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯（Wilhelm Hallwachs)證實(shí)是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)荷電體的緣故。
1899年，J·J·湯姆孫通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該荷電體與陰極射線一樣是電子流。
光電效應(yīng)中的電子模型圖
1899—1902年間，勒納德（P·Lenard）對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并命名為光電效應(yīng)。
1905年，愛(ài)因斯坦在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》一文中，用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了全面的解釋。
1916年，美國(guó)科學(xué)家密立根通過(guò)精密的定量實(shí)驗(yàn)證明了愛(ài)因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論。
光電效應(yīng)
1905年，愛(ài)因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。
光電效應(yīng)
光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)，又稱光生伏特效應(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)?！『掌澯?887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦第一個(gè)成功的解釋了光電效應(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(lái)的電子叫做光電子）。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長(zhǎng)，對(duì)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(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)無(wú)法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長(zhǎng)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?shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)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。
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(wú)關(guān)。光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。
光電效應(yīng)
光電效應(yīng)說(shuō)明了光具有粒子性。相對(duì)應(yīng)的，光具有波動(dòng)性最典型的例子就是光的干涉和衍射。
只要光的頻率超過(guò)某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會(huì)逸出光電子，發(fā)生光電效應(yīng)。當(dāng)在金屬外面加一個(gè)閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極便形成所謂的光電流?！≡谌肷涔庖欢〞r(shí)，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動(dòng)能，光電流會(huì)隨之增大。但光電流不會(huì)無(wú)限增大，要受到光電子數(shù)量的約束，有一個(gè)最大值，這個(gè)值就是飽和電流?！∷裕?dāng)入射光強(qiáng)度增大時(shí)，根據(jù)光子假設(shè)，入射光的強(qiáng)度（即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的光能）決定于單位時(shí)間里通過(guò)單位垂直面積的光子數(shù)，單位時(shí)間里通過(guò)金屬表面的光子數(shù)也就增多，于是，光子與金屬中的電子碰撞次數(shù)也增多，因而單位時(shí)間里從金屬表面逸出的光電子也增多，飽和電流也隨之增大
研究歷史
光電效應(yīng)由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用。
1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個(gè)小球之間就非常容易跳過(guò)電花。
大約1900年，馬克思·普朗克（MaxPlanck）對(duì)光電效應(yīng)作出最初解釋，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）這一理論。他給這一理論歸咎成一個(gè)等式，也就是E=hf ，E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一個(gè)常數(shù)，統(tǒng)稱布蘭科（普朗克）常數(shù)（Planck'sconstant），而f就是光源的頻率。也就是說(shuō)，光能的強(qiáng)弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科（普朗克）自己對(duì)于光線是包裹式的說(shuō)法也不太肯定。
1902年，勒納（Lenard)也對(duì)其進(jìn)行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無(wú)法根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論加以解釋
光電效應(yīng)
1905年，愛(ài)因斯坦26歲時(shí)提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。他進(jìn)一步推廣了布蘭科的理論，并導(dǎo)出公式，Ek=hf-W，W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek就是電子自由后具有的動(dòng)能。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程
1887年，赫茲在做證實(shí)麥克斯韋的電磁理論的火花放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲用兩套放電電極做實(shí)驗(yàn)，一套產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套作為接收器。他意外發(fā)現(xiàn)，如果接收電磁波的電極受到紫外線的照射，火花放電就變得容易產(chǎn)生。赫茲的論文《紫外線對(duì)放電的影響》發(fā)表后，引起物理學(xué)界廣泛的注意，許多物理學(xué)家進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。
1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）證實(shí)，這是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)了荷電體的緣故。
1899年，J.J.湯姆孫用巧妙的方法測(cè)得產(chǎn)生的光電流的荷質(zhì)比，獲得的值與陰極射線粒子的荷質(zhì)比相近，這就說(shuō)明產(chǎn)生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這樣，物理學(xué)家就認(rèn)識(shí)到，這一現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內(nèi)部的自由電子獲得更大的動(dòng)能，因而從金屬表面逃逸出來(lái)的一種現(xiàn)象。
光電效應(yīng)
1899—1902年，勒納德（P.Lenard，1862—1947）對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并首先將這一現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)”。為了研究光電子從金屬表面逸出時(shí)所具有的能量，勒納德在電極間加一可調(diào)節(jié)反向電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面時(shí)的最大速度。他選用不同的金屬材料，用不同的光源照射，對(duì)反向電壓的截止值進(jìn)行了研究，并總結(jié)出了光電效應(yīng)的一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律。根據(jù)動(dòng)能定理：qU=mv^2/2，可計(jì)算出發(fā)射出電子的能量?？傻贸觯篽f=(1/2)mv^2+I+W
深入的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律與經(jīng)典理論存在諸多矛盾，但許多物理學(xué)家還是想在經(jīng)典電磁理論的框架內(nèi)解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。有一些物理學(xué)家試圖把光電效應(yīng)解釋為一種共振現(xiàn)象。勒納德在1902年提出觸發(fā)假說(shuō)，假設(shè)在電子的發(fā)射過(guò)程中，光只起觸發(fā)作用，電子原本就是以某一速度在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，光照射到原子上，只要光的頻率與電子本身的振動(dòng)頻率一致，就發(fā)生共振，電子就以其自身的速度從原子內(nèi)部逸出。勒納德認(rèn)為，原子里電子的振動(dòng)頻率是特定的，只有頻率合適的光才能起觸發(fā)作用。勒納德的假說(shuō)在當(dāng)時(shí)很有影響，被一些物理學(xué)家接受。但是，不久，勒納德的觸發(fā)假說(shuō)被他自己的實(shí)驗(yàn)否定。
發(fā)現(xiàn)規(guī)律
通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出光電效應(yīng)具有如下實(shí)驗(yàn)規(guī)律：
1．每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應(yīng)的波長(zhǎng)被稱做極限波長(zhǎng)（或稱紅限波長(zhǎng)）。當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論多強(qiáng)的光都無(wú)法使電子逸出。
2．光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。
3．光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，即幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)十的負(fù)九次方秒（1ns）。
光電效應(yīng)
4.入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱，即只影響在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積是逸出的光電子數(shù)目。在光顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，即一定顏色的光，入射光越強(qiáng)，一定時(shí)間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)目越多。
與經(jīng)典理論的矛盾
在光電效應(yīng)中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強(qiáng)度，即只與電磁波的振幅有關(guān)，而與電磁波的頻率無(wú)關(guān)。而實(shí)驗(yàn)規(guī)律中的第一、第二兩點(diǎn)顯然用經(jīng)典理論無(wú)法解釋。第三條也不能解釋，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典理論，對(duì)很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個(gè)能量積累的過(guò)程而不可能瞬時(shí)產(chǎn)生光電子。
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(wú)關(guān),光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，振幅很小，不會(huì)對(duì)電子射出方向產(chǎn)生影響。
所有這些實(shí)際上已經(jīng)曝露出了經(jīng)典理論的缺陷，要想解釋光電效應(yīng)必須突破經(jīng)典理論。
分類
光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。
內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。
外光電效應(yīng)是被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象?！?br />
外光電效應(yīng)
在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。
外光電效應(yīng)的一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律
a．僅當(dāng)照射物體的光頻率不小于某個(gè)確定值時(shí)，物體才能發(fā)出光電子，這個(gè)頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應(yīng)的波長(zhǎng)λ0叫做極限波長(zhǎng)。不同物質(zhì)的極限頻率和相應(yīng)的極限波長(zhǎng)λ0是不同的。
一些金屬的極限波長(zhǎng)(單位：埃)：
銫 鈉 鋅 銀 鉑
6520 5400 3720 2600 1960
b．光電子脫出物體時(shí)的初速度和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這就是說(shuō)，光電子的初動(dòng)能只和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。
c．在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，的那位時(shí)間內(nèi)陰極(發(fā)射光電子的金屬材料)發(fā)射的光電子數(shù)目越多
d．從實(shí)驗(yàn)知道，產(chǎn)生光電流的過(guò)程幾乎是瞬間，不需要時(shí)間的累積，這和光是波的概念是完全違背的。
上面這些內(nèi)容可從互聯(lián)網(wǎng)上搜索到，這也是目前科學(xué)家們對(duì)光子的認(rèn)識(shí)，如果光子是一粒粒的，就象牛頓認(rèn)為的那樣，我們?cè)賹?duì)其進(jìn)行量子化，對(duì)E=fh進(jìn)行去波動(dòng)化，變成E=n0，n是自然數(shù)，0是特定能量子，0=fh/n，當(dāng)n=f*秒時(shí)，0=6.626×10^(-34)J，這比h=6.626×10^(-34)Js自然多了，容易理解得多，我們所測(cè)得的頻率f并非是什么頻率，而是顯示光子大小的一個(gè)量，是一個(gè)自然數(shù)，光顏色的變化，并非是波長(zhǎng)的變化，而是光子能量的變化。
這一點(diǎn)變化并不簡(jiǎn)單，并不僅僅把一個(gè)頻率變成了自然數(shù)，把一個(gè)焦耳╳秒變成了焦耳，重要的是去波動(dòng)化，完全以粒子的角度去看待光子，不再是光波和光線，這讓我們可發(fā)現(xiàn)更多東西，如果光子不是波，我們所研究的物理還是經(jīng)典的，而不是非經(jīng)典。我們失去了誤會(huì)，卻獲得了真相！
光波無(wú)法解釋光電效應(yīng)，光子才能解釋光電效應(yīng)， 任何理都要講究自圓其說(shuō)，這就是理論自怡，否則就只能非經(jīng)典。
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