光电效应 (1)

西安理工大学

教学实习报告

题 目 光电效应 专 业 应用物理学

班 级 应物112 学 号 ××××××××× 学 生 × × × 指导教师 解光勇

2013 年

光电效应

摘要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(两个电极之一收到紫外光照射时，放电现象就比较容易发生，这是光电效应的早期征兆)。

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。

关键词：关电效应 光电子 遏止电压 爱因斯坦关电假说 爱因斯坦光电

效应方程

一 教学目的

1. 知道什么是光电效应 2. 明白光电效应的基本规律 3. 运用光电效应解释一些物理现象 4. 了解光电效应的应用

5. 通过对光电效应的发现、假设、分析证实、应用等方面的学习，提高学生观察分析能力。

二 教学重点

1． 哪些条件下才可能发生光电效应规律 2． 光电效应的发生于哪些因素有关系 3． 光电效应与波动理论的矛盾 4． 爱因斯坦的光子假设及其光电方程 5． 光电效应的应用

三 教学难点

1．光电效应的一般规律及其与经典理论的矛盾意义 2. 爱因斯坦的量子解释

四 教学方法

阅读，理解，分析，讲解

五 教材分析

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。

图 1 光电效应演示图

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=h错误！未找到引用源。 ， 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，错误！未找到引用源。=h错误！未找到引用源。-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而错误！未找到引用源。就是电子自由后具有的动能。

六 教学过程

1. 引入课题

光电效应的现象：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 。

光电效应：当波长较短的可见光或紫外光照射到某些金属表面上时,金属中有电子逸出的现象。（Photoelectric effect）在光电效应中逸出的电子称为光电子。 2. 简介 ⑴爱因斯坦生平

阿尔伯特.爱因斯坦于 1879年3月14日出生在德国符腾堡的乌尔姆。他的父亲是赫尔曼.爱因斯坦，母亲叫波林，都是犹太人，有一个妹妹，叫马丽亚。他于1891年脱离德国国籍，1901年获准成为瑞士公民。1914年

起，大部分时间在德国工作，直到1935年纳粹上台，移居美国．1921年因对理论物理学所做的贡献，特别是因发现了光电效应定律而获诺贝尔物理学奖。 ⑵光电效应发展史

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。 3 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。

图2 用光线照射金属板

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=mv^2/2

可计算出发射出电子的能量得出：hf=(1/2)mv^2+I+W

图3 光电效应实验电路

图 4 伏安特性曲线

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。

4 光电效应的一般规律及其与经典理论的矛盾 ⑴实验结论（图3）

A、反向电压加至Ua时光电流为零，称Ua为遏止电压。遏止电压的存在说

明光电子具有初动能: 错误！未找到引用源。=|e错误！未找到引用源。|

实验表明：遏止电势差Ua 与光强度无关。 B、存在遏止频率（又称红限频率）

实验表明：遏止电势差Ua 和入射光的频率之间具有线性关系错误！未找到引用源。

图5 遏止电势差与频率的关系 错误！未找到引用源。m错误！未找到引用源。

C、要使光所照射的金属释放电子，入射光的频率必须满足：

错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。红限（遏止频率） D、弛豫时间

实验表明，从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光的强度如

何，这段时间很短，不超过错误！未找到引用源。s 。 ⑵由实验得出光电效应的一般规律

A、饱和电流的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比。

B、光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有。频率越高，光电子的能量就越大。

C、频率低于极限频率的入射光，无论光的强度多大，都不能使光电子逸出。

D、光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内（10^-9＜s）观察不出这两者之间存在滞后现象。 ⑶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。而实验规律中的第二、三点显然用经典理论无法解释。第四点也不能解释，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。 5 爱因斯坦的量子解释

⑴ 爱因斯坦的光子假设及其光电方程

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。

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（h = 6.63 ×错误！未找到引用源。J•s）；f是入射光子的频率

图6 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，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， 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。 ⑵光电效应的量子解释

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二、第三条。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。对第四条，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。 ⑶ 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。 6 光电效应的应用 ⑴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。 ⑵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。

图7光伏控制器

⑶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。现在要研究天文、宇宙的起源，不管用什么样的天

文显微镜，最后都有摄像的基本单元，都是要利用所谓的光电效应。现在都讲数字地球，这是全球定位系统，对海洋资源、陆地资源等等定位。在空间要对地球进行定位，最基本的必须要有一个非常灵敏的光电探测器风云2号照出来的地球气象图，每天在晚上七点半的时候，中央气象台总是会发布云图的变化。

无论是在海湾战争还是什么，美国非常厉害的就是转幅式的巡航导弹。转幅式的巡航导弹一般是怎么瞄准目标的？事先把轰炸的目标拍照下来存在计算机里，发射以后，光电导引头上用1064纳米的激光辐射，打到地面上以后反射回来，摄取了它的图像。把现场拍到的图像跟存在计算机的图像进行比较，如果是对的，那就是说找到了目标。如何预防巡航导弹也是非常重要的。如果能够在十公里、二十公里以外，就能够探测到巡航导弹发射的1064纳米辐射，这是一个波长，就可以摧毁它。所以光电探测器在军事上是非常有用的。 ⑷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。 7 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。

七 个人总结

此次教学实习加深了我对光电效应的理解，也了解到了很多光电效应在生活中的应用，我觉得通过对各种光电器件的应用，未来对光电效应的应用有很广阔的前景。这一次是一次较全面、系统的锻炼，我可以更熟练的应用一些办公软件，也学到了许多书本上所学不到的知识和技能。通过这一次实习，我也认识到自己的不足，对知识的理解还有欠缺，需要继续努力学习，“实践才是检验真理的唯一标准”，只有切身体验过，才能意识到自己的不足。我会在今后的学习工作中更加努力改进、丰富社会经验并获得进步。

参考文献

[1] 姚启钧.光学教程. 北京：高等教育出版社.2010.

[2] 杨福家.原子物理学. 北京：高等教育出版社.2010.

[3] 赵凯华.新概念物理教程——光学. 北京：高等教育出版社.2004. [4] 钟锡华.现代光学基础. 北京：北京大学出版社.2004. [5] 郑厚植.爱因斯坦光电效应到单电子的应用.中国科学院.2002.