你使用过数码相机或是数码摄像机吗？它们的心脏是一片叫做CCD的图像传感器，如图13-15所示。在几厘米宽的面积上排列着几百万个能将光信号转变为电信号的感光单元。目前，各种感光元件已经被广泛应用于通信、自动化控制和太阳能利用等领域，光电转换技术的应用与发展，与人们对光的本性的认识是分不开的。

本节我们将通过学习光电效应现象和光子说，认识光的另一种性质——粒子性。

在19世纪末，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功。但是，就在这个时候，又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应。

下面我们通过实验观察光电效应现象。

将一块擦得很亮的锌板连接在灵敏验电器上，用紫外线灯照射锌板（图13-16），观察验电器上的指针，发现验电器指针偏转。这表明锌板带了电。

用丝绸摩擦过的玻璃棒靠近与锌板断开的验电器，结果验电器指针的张角增大，说明锌板所带的是正电。

由此可知，锌板被紫外线灯照射后，锌板中的一部分自由电子从表面飞了出来，使锌板带上正电。

在光（包括不可见光）的照射下，物体表面发射出电子的现象叫做光电效应，在光的作用下发射出来的电子叫做光电子。

以上看到的光电效应能否用光的波动理论加以解释呢？

最初观察到光电效应的时候，物理学家们没有感到惊奇。他们想，光是一种电磁波，当它射入金属时，金属里的自由电子会吸收光波的能量使电子的运动加剧。如果光足够强，不论光的频率高低，经过一段时间后电子的运动会越来越剧烈，就有可能飞出金属表面，就像一锅开水，由于锅中水的剧烈运动，会有水花溅到锅外。

但是，进一步的研究发现，对各种金属都存在着极限频率和极限波长，如果入射光的频率比极限频率低，那么无论光多么强，照射时间多么长，都不会发生光电效应；而如果入射光的频率高于极限频率，即使光不强，当它射到金属表面时也会观察到光电子发射。这一点无法用光的波动理论加以解释。

还有一点与光的波动理论相矛盾，这就是光电效应的瞬时性。按照波动理论，如果入射光比较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累足够的能量，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，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过10-9s。

光电效应有哪些基本特点？

到了20世纪初，爱因斯坦提出了光子说，解释了光电效应。那么，爱因斯坦是如何用“光子说”解释光电效应的呢？

1905年，爱因斯坦受到普朗克在研究物体热辐射规律时的发现的启发，在光电效应的实验基础上提出了光子说，他指出：光在空间传播并不像电磁波理论所认为的那样连续分布的，而是一份一份地集中在一些叫做光子的粒子上，光是由大量光子组成的按光速运动的光子流，每个光子所具有的能量跟它的频率成正比，即

E＝hν。

式中的ν是光的频率，比例常数h＝6.63×10-34J·s，叫做普朗克常量。

光子说能很好地解释光电效应。

按照光子说，当光照射在金属板上时，光子就与金属中的电子相互作用，电子通过吸收光子获得能量而逸出金属表面，电子吸收一个光子，就获得能量hν。不同金属内正电荷对电子的束缚程度不同，因此电子逃逸出来克服正电荷的束缚所做的功也不一样，如果光子的能量小于使电子逃逸出来所需功的最小值，那么无论光多强，照射时间多么长，也就是说能量较小的光子无论数目多么大，也不能使电子从金属中逃逸出来。这就很好地解释了为什么存在极限频率，如果入射光的频率ν大于金属的极限频率ν0，那么一个光子的能量就足以使电子克服金属原子核的引力束缚所需做的功而立即逸出金属表面，因而光电子的发射几乎是瞬时的，不需要能量积累的时间，这就解释了光电效应的瞬时性。

爱因斯坦的光子假说于1916年由密立根的精确实验所证实。爱因斯坦在1921年因对光电效应的研究而获得了诺贝尔物理学奖；密立根也因对光电效应及基元电荷的研究，获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

光电效应在技术上得到广泛的应用。光电管就是应用光电效应的原理制成的光电元件。

图13-17（a）是一种真空光电管，玻璃管里的空气已被抽出，而充有少量的稀有气体。管的内半壁涂有钠、锂等金属，作为阴极K，管内另有一阳极A。使用时像图13-17（b）那样把它连接在电路里。当光照射到光电管的阴极K时，电路里就产生电流，电流的大小取决于照射光的强度。

发明光电管后不久，工程师把它应用到电影技术和摄像技术中，发明了有声电影和电视。随着科学技术的发展，人们发现某种类型的半导体器件能把光能直接转变为电能，当光入射在这样的器件上时，会引起光生电动势，入射的光越强，引起的光生电动势也越大，光电二极管、光电三极管就是这种器件。目前，各种各样的光电器件被广泛应用于自动化控制和现代信息技术中。

发布时间：2016/2/27 下午4:29:55  阅读次数：1421

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