光电效应

山东激光

光电效应概述
    光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。
　　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。这种解释为爱因斯坦所提出。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，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)。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。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。
　　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
①光电效应的实验规律。
　　a．阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子束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。
几种金属材料的极限波长
一些金属的极限波长(埃)：
　　铯 钠 锌 银 铂
　　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。
　　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，那么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
    hυ=(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<W,电子就不能脱出金属的表面。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。 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。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 。
光电效应的分类
光电效应分为：外光电效应和内光电效应。
　　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。
　　1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；
　　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，爱因斯坦提出了光子假设。
　　爱因斯坦光电效应方程：
　　1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。
　　2.&#61550; 一定时，产生的光电流和光强成正比。
　　3.逸出的光电子具有动能。
　　基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
　　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&#61550;≧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
　　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。


摘自百度

高原

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