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光电效应的发现及其应用

作者:王柏清

1887年,德国物理学者海因里希·赫兹做实验观察到光电效应、电磁波的发射与接收。在赫兹的发射器里有一个火花间隙(spark gap),可以借着制造火花来生成与发射电磁波。在接收器里有一个线圈与一个火花间隙,每当线圈侦测到电磁波,火花间隙就会出现火花。由于火花不很明亮,为了更容易观察到火花,他将整个接收器置入一个不透明的盒子内。他注意到最大火花长度因此减小。为了理清原因,他将盒子一部分一部分拆掉,发现位于接收器火花与发射器火花之间的不透明板造成了这屏蔽现象。假若改用玻璃来分隔,也会造成这屏蔽现象,而石英则不会。经过用石英棱镜按照波长将光波分解,仔细分析每个波长的光波所表现出的屏蔽行为,他发现是紫外线造成了光电效应。赫兹将这些实验结果发表于《物理年鉴》,他没有对该效应做进一步的研究图1 海因里希·赫兹实验图

菲利普·莱纳德于1900年发现紫外线会促使气体发生电离作用。由于这效应广泛发生于好几厘米宽区域的空气,并且制造出很多大颗的正离子与小颗的负离子,这现象很自然地被诠释为光电效应发生于在气体中的固体粒子或液体粒子,汤姆孙就是如此诠释这现象。1902年,莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果。第一,借着变化紫外光源与阴极之间的距离,他发现,从阴极发射的光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比。第二,使用不同的物质为阴极材料,可以显示出,每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大动能(最大速度),换句话说,光电子的最大动能于光波的光谱组成有关。第三,借着调整阴极与阳极之间的电压差,他观察到,光电子的最大动能与截止电压成正比,与辐照度无关。

1905年,爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,对于光电效应给出另外一种解释。他将光束描述为一群离散的量子,现称为光子,而不是连续性波动

爱因斯坦的论文很快地引起美国物理学者罗伯特·密立根的注意,但他也不赞同爱因斯坦的理论。之后十年,他花费很多时间做实验研究光电效应。他发现,增加阴极的温度,光电子最大能量不会跟着增加。他又证实光电疲劳现象是因氧化作用所产生的杂质造成,假若能够将清洁干净的阴极保存于高真空内,就不会出现这种现象了。1916年,他证实了爱因斯坦的理论正确无误,并且应用光电效应直接计算出普朗克常数。密立根因为“关于基本电荷以及光电效应的工作”获颁1923年诺贝尔物理学奖。

光电效应,是在其中电子或电流流动或者被解除的现象。广泛用作数码相机和太阳能发电的工作原理。外部光电效应和内部光电效应有两种类型,术语“光电效应”通常是指外部光电效应。

光是由一份一份不连续的光子组成,当某一光子照射到对光灵敏的物质上时,它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后,动能立刻增加。如果动能增大到足以克服原子核对它的引力,就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面,成为光电子,形成光电流。

该材料的光在暴露于通过光及电子的相互作用,光的能量被施加到电子,电子(光电子)从材料的表面释放出来。这种现象称为外部光电效应或简称为光电效应。从广义上讲,它不仅包括电子,还包括原子和分子向外发射的现象。此外,气体的原子和分子是自由电子EMIT光电离(英文:光电离、光致电离)也是广泛的外部光电效应。

当用波长足够短的光照射半导体或绝缘体时,物质内部的导电电子增加,从而引起的电导率增加的现象称为内部光电效应。光导(UK:光电导),光导也称。半导体或绝缘体中,价带和杂质能级的电子如在光子吸收的能量导带被激发到等。这种激发的电子称为光电子。结果,导电电子和空穴增加,因此导电率增加。

光电技术采集了光学技术、机械技术、电子技术、信息技术等多种学科优势为一体的综合技术门类。在我国的光电技术大多应用于国防科技、武器制造、应用医学、航天技术等领域。

我国的光电技术发展门槛较高,很少进行光电技术推广,普通民众对光电技术的认知度不高,光电技术的发展也难以让社会大众熟悉。光子技术在生物与医学中的应用即定义为生物医学光子学,其相应产业涉及人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。

近几年,随着发达国家对光电技术的挖掘不断深入,光电市场迎来了前所未有的空前盛况,光电技术的发展极其迅猛。我国奋起直追,目前光电技术已经扩展到了通讯技术、信息、医疗、军事、生物工程等多个新兴科技领域,光电技术的应用得到了极其广泛的传播和发展。光电技术是信息技术,它促进了轻武器领域的发展。传统轻武器通过配备光学和光电瞄准具等来提高射击精度及杀伤能力。

爱因斯坦将光束描述为一群离散的量子,现称为光子,而不是连续性波动。对于马克斯·普朗克先前在研究黑体辐射中所发现的普朗克关系式,爱因斯坦给出另一种诠释:频率为的光子拥有的能量为 ;其中, 因子是普朗克常数。爱因斯坦认为,组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。假若光子的频率大于某极限频率,则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸,造成光电效应。爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关,而与辐照度无关。虽然光束的辐照度很微弱,只要频率足够高,必会产生一些高能量光子来促使束缚电子逃逸。尽管光束的辐照度很强劲,假若频率低于极限频率,则仍旧无法给出任何高能量光子来促使束缚电子逃逸。

爱因斯坦的论述极具想像力与说服力,但却遭遇到学术界强烈的抗拒,这是因为它与詹姆斯·麦克斯韦所表述,而且经过严格理论检验、通过精密实验证明的光的波动理论相互矛盾,它无法解释光波的折射性与相干性,更一般而言,它与物理系统的能量“无穷可分性假说”相互矛盾。甚至在实验证实爱因斯坦的光电效应方程正确无误之后,强烈抗拒仍旧延续多年.

科学就是在不断地探索,在探索中发现,每一个技术的背后都是一场知识性的战争,一个技术的完善离不开科学家的努力,他们勇于探索的精神,是推进社会发展的必要条件。我们每个人都应该向他们学习,不能因为外面的繁华而干扰到自己。要专一地做好每一件事。

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