实验流程
1887年，赫兹在做火花放电实验时意外发现了光电效应，证实了麦克斯韦的电磁理论。 赫兹使用了两组放电电极进行实验，一组产生振荡并发射电磁波；另一组则产生振荡并发射电磁波。 另一组作为接收器。 他意外地发现，如果接受电磁波的电极受到紫外线照射，就更容易产生火花放电。 赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起了物理学界的广泛关注，许多物理学家进行了进一步的实验研究。
1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（）证实这是由于放电间隙中出现了带电体所致。
1899年，JJ汤姆逊用巧妙的方法测量了产生的光电流的荷质比，得到的值与阴极射线粒子的荷质比相似。 这表明产生的光电流是像阴极射线一样的电子流。 这样，物理学家认识到，这种现象的本质是光（尤其是紫外线）照射金属表面，使金属内部的自由电子获得更大的动能，从而从金属表面逃逸的现象。 1899年至1902年，伦纳德（，P.，1862-1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这种现象称为“光电效应”。 为了研究光电子从金属表面逸出时的能量，伦纳德在电极之间添加了可调节的反向电压，直到光电流被切断。 根据反向电压的截止值，可以估计电子从金属表面逃逸的时间。 最大速度。 他选择不同的金属材料，使用不同的光源，研究反向电压的截止值，总结出光电效应的一些实验规律。 根据动能定理：qU=mv²/2，可以计算出发射电子的能量。 可以得出：hf=(1/2)mv²+I+W
深入实验发现的定律与经典理论存在很多矛盾，但很多物理学家仍然想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验定律。 一些物理学家试图将光电效应解释为共振现象。 于1902年提出触发假说，假设电子发射过程中，光只起到触发作用。 当振动频率一致时，就会发生共振，电子以自己的速度从原子内部逸出。 伦纳德认为，原子中电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能触发它。 雷纳德的假说在当时很有影响力，被一些物理学家接受。 然而很快，雷纳德的触发假说就被他自己的实验所反驳。
发现模式
通过大量实验，得出光电效应有以下实验规律：
1、每种金属产生光电效应时都有一个极限频率（或截止频率），即照射光的频率不能低于某个临界值。 相应的波长称为极限波长（或红极限波长）。 当入射光的频率低于极限频率时，无论光有多强，电子都无法逃逸。
2、光电效应中产生光电子的速度与光的频率有关，与光强无关。
3.光电效应的瞬时性。 实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，无论光的亮度如何，光子的产生几乎是瞬时的，即金属被照射时几乎立即产生光电流。 响应时间不超过十的负九秒次方（1ns）。
4、入射光的强度只影响光电流的强度，即只影响单位时间内从单位面积逃逸的光电子的数量。 当光的颜色不变时，入射光越强，饱和电流越大，即对于某种颜色的光，入射光越强，在一定时间内发射出的电子越多。
与经典理论的矛盾
在光电效应中，显然需要足够的能量来释放光电子。 根据经典电磁理论，光是一种电磁波，电磁波的能量是由其强度决定的，即只与电磁波的振幅有关，与电磁波的频率无关。海浪。 实验规则中的第一点和第二点显然无法用经典理论来解释。 第三篇文章也解释不了，因为根据经典理论，很弱的光要让电子获得足够的能量逃逸，必须有一个能量积累的过程，不可能瞬间产生光电子。
在光电效应中，电子的喷射方向并不完全具有方向性，而是大部分都是垂直于金属表面发射的，与光的方向无关。 光是一种电磁波，但光是一种高频振荡的正交电磁场。 振幅很小，不会影响电磁场。 电子发射的方向受到影响。
所有这些，实际上暴露了经典理论的缺陷。 要解释光电效应，必须突破经典理论。
光电效应分为：外光电效应和内光电效应。
内光电效应是光激发产生的载流子（自由电子或空穴）仍在材料内部移动，导致材料的电导率发生变化或产生光伏的现象。 外光电效应是受光激发的电子从材料表面逸出并在真空中形成电子的现象。
外光电效应
在光的作用下，物体中的电子从物体表面逸出并向外发射的现象称为外光电效应。
外光电效应的一些实验规律
A。 只有当照射物体的光的频率不小于一定值时，物体才能发射光电子。 该频率称为极限频率（或截止频率），对应的波长λ0称为极限波长。 不同材料的极限频率和相应的极限波长λ0是不同的。
某些金属的极限波长（单位：埃）：
铯
钠
锌
银
铂
6520
5400
3720
2600
1960年
b. 光电子逃离物体时的初速度与照射光的频率有关，与发光强度无关。 也就是说，光电子的初始动能仅与照射光的频率有关，与发光强度无关。
c.当光的频率保持恒定时，入射光越强，在该时间内阴极（发射光电子的金属材料）发射的光电子越多。
d. 由实验可知，产生光电流的过程非常快，一般不超过10的9次方； 当光照射停止时，光电流立即停止。 这说明光电效应是瞬时的。
e. 爱因斯坦方程：hν=(1/2)mv^2+I+W
式中(1/2)mv^2是从物体逸出的光电子的初始动能。 金属内部存在大量的自由电子，这是金属的一个特性。 因此，对于金属，I项可以省略，爱因斯坦方程变为 hυ=(1/2)mv^2+W 如果 hυ
注意：如果光子的能量（hf）不大于功函数（φ），则不会发射电子。 功函数有时标记为W。当这个公式与观察结果不一致时（即没有电子被喷射出来或者电子的动能比预期小），可能是因为系统并不完全有效，部分能量被消耗掉了。以热量或辐射形式损失。 爱因斯坦因对光电效应的成功解释而获得1921年诺贝尔物理学奖。
基于外光电效应的电子元件有光电管和光电倍增管。 光电倍增管可以将闪光转换成放大的电脉冲，然后发送到电子电路进行记录。
内光电效应
当光线照射到物体上时，物体的电导率发生变化，或者产生光生电动势。 分为光导效应和光伏效应（光伏效应）。
1 光电导效应
在光的作用下，电子吸收光子能量并从键合态跃迁到自由态，引起材料电导率的变化。
当光线照射到光电导体上时，如果光电导体是本征半导体材料，并且光辐射能量足够强，则光电导体价带中的电子会被激发到导带，使得光电导体的电导率变大。 。
基于这种效应的光电器件包括光敏电阻。
2 光伏效应
能使物体在光的作用下产生一定方向电动势的现象。 基于这种效应的器件包括光伏电池、光电二极管和三极管。
①势垒效应（结光电效应）
当光照射PN结时，如果hf≥Eg，则价带中的电子跃迁到导带，从而产生电子空穴对。 在势垒层中电场的作用下，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横向光电效应（丹培效应）
当半导体光电器件受到不均匀照射时，受照射部分会产生电子空穴对，载流子浓度大于未照射部分的载流子浓度。 出现载流子浓度梯度，引起载流子扩散。 如果电子比空穴扩散得更多，则受照射部分带正电，未受照射部分带负电，从而产生电动势，这就是横向光电效应。
③光电磁效应
当半导体受到强光照射，并在垂直于光的方向施加磁场时，半导体垂直于光和磁场的两个端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可以视为光扩散电流的霍尔效应。
④贝克勒尔效应
指液体中的光伏效应。 当光照射浸入电解质中的两个相同电极之一时，两个电极之间产生电势的现象称为贝克勒尔效应。 感光细胞的工作原理就是基于这种效应。
⑤紫外光电效应
当紫外线照射某些金属表面时，金属内部的自由电子从金属表面逸出。 该紫外光电子发射构成紫外光电效应的组成部分之一。 早在1887年，德国物理学家（1857~1894）在研究紫外线辐射时首先发现了光电发射现象。 1888年，俄罗斯物理学家斯托列托夫（1839~1896）用实验证明了光电发射。
3 光子拉动效应
当光子与半导体中的自由载流子相互作用时，光子将动量传递给自由载流子，自由载流子将沿着光的传播方向相对于晶格移动。 因此，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，阻碍电荷载流子的移动。 这种现象称为光子拉效应。
爱因斯坦的光量子解释
1905年，爱因斯坦进一步推广了普朗克的量子化概念。 他指出：不仅黑体与辐射场之间的能量交换是量子化的，而且辐射场本身也是由不连续的光量子组成的。 每个光量子的能量与辐射场的频率满足ε=hν，即其能量只与光量子的频率有关，与强度（振幅）有关。
爱因斯坦光电效应方程
根据爱因斯坦的光量子理论，发射到金属表面的光本质上是能量为ε=hν的光子流。 如果照射光的频率太低，即光子流中每个光子的能量就小。 当它照射金属表面时，电子吸收了这个光子，增加的能量ε=hν仍然小于电子离开金属表面的能量。 如果需要必要的功函数，电子就无法从金属表面逃逸，因此无法产生光电效应。 如果照射光的频率足够高，使电子吸收足够的能量来克服功函数并脱离金属表面，就会发生光电效应。 此时，发射电子的动能、光子能量和功函数之间的关系可以表示为：光子能量=除去一个电子所需的能量（功函数）+发射电子的动能。
即：hf=(1/2)mv^2+Φ
这就是爱因斯坦的光电效应方程。
其中，h为普朗克常数； f 是入射光子的频率
功函数
Φ是功函数，是指从原子键上移走电子所需的最小能量。 表达式如右所示，其中f0为光电效应发生的阈值频率，即极限频率； 功函数有时用 W 或 A 标记。
动能表达式
E(kmax)为逃逸电子的最大动能，如右图； m是发射电子的静止质量； vm 是发射电子逸出时的初速度。
注：当此公式与观察结果不符时（即没有电子被喷射或电子的动能小于预期），可能是因为系统没有完全高效，部分能量以热或辐射的形式损失了。
实验电路
根据爱因斯坦的光量子理论，光电效应中光电子的能量由照射光的频率决定，与照射光的强度无关。 因此，第一和第二两个实验规则就可以解释。 极限频率是指光子的能量刚好足以克服金属的功函数的光量子频率。 不同的金属电子逃逸所需的能量不同，因此不同金属的极限频率也不同。 关于第三项，因为当光子的能量足够时光电效应，无论光强如何（仅取决于光子的数量），电子吸收光子后都可以立即逃逸，因此可以立即产生光电效应，而无需需要一个积累的过程。 当光照射到金属表面时，强度越大，光子的数量就越多，被金属中的电子吸收的可能性就越大。 因此，可以解释为什么发射的电子数量只与光的强度有关，而与光的性质无关。 频率无关紧要。
光的量子解释的实验验证
爱因斯坦利用光量子理论提出光电效应的理论解释后，科学界最初反应冷淡。 甚至一些相信量子概念的物理学家也不接受光量子假说。 尽管该理论与现有的实验事实并不矛盾，但目前还没有足够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，美国物理学家密立根才完成了光电效应的定量实验研究。
密立根对光电效应进行了长期的研究。 经过十年的测试、改进和学习，他有效地消除了表面接触电位差等因素的影响，获得了相对较好的单色光。 他的实验非常出色。 1914年，他首次通过实验验证了爱因斯坦方程准确成立。 他还首次对普朗克常数h进行了直接光电测量，精度约为0.5%（在实验误差中）。 范围内）。 1916年，密立根发表了他精确的实验结果。 他用六种不同频率的单色光来测量反向电压截止值与频率曲线的关系。 这是一条很好的直线，可以从直线的斜率算出。 普朗克常数。 结果与1900年普朗克从黑体辐射得到的值非常吻合。
衍生物
(1)光伏效应异常：
光伏效应
一般光生电压不会超过Vg=Eg/e，但有些薄膜半导体在强白光照射下会产生远高于Vg的光生电压，称为反常光伏效应。 （观察到光生电压为5000V）
20世纪70年代，人们发现光铁电体的反常光伏效应（APV）可以产生1000V至1000V的电压，并且仅出现在晶体的自发极化方向。
光电压：V=(Jc/(σD+Δσl))l
(2)贝克勒尔效应：
当两个相同的电极浸入电解质中并用光照射其中之一时，两个电极之间会产生电位差，这称为贝克勒尔效应。
（可以模仿光合作用制造高效太阳能电池）
(3) 光子拉动效应：
当光子能量不足以产生电子空穴的激光束照射到样品上时，可以在样品的光束方向的两端建立电势差VL。 其大小与光功率成正比，称为光子牵引效应。
（4）俄歇效应（1925年法国俄歇）
利用高能光子或电子将电子从原子内层射出光电效应，同时产生一定能量的电子（俄歇电子），使原子和分子称为高阶离子的现象，称为俄歇效应。
应用：俄歇电子能谱用于表面分析，以识别不同分子的“指纹”。
光电效应
(5)光电流效应(1927年平移)
放电管两级之间光电压（电流）的变化称为光电流效应。
(1)：可排出低压气体（惰性气体约100Pa）
(2)：空间电荷效应和辉光放电：
放电管从阴极到阳极有7个不同的区域：
1：阿斯顿暗区：靠近阴极的一层薄薄的暗区。 原因：来自阴极的正离子轰击的二次电子的动能很小，不足以激发原子发光。
2：阴极辉光区：阿斯顿暗区之后的非常薄的发光层。
3：阴极暗区：当电子从阴极到达此区域时，获得的能量越来越多，超过原子电离能，引起大量的碰撞电离，这里发生雪崩电离过程。电离后，电子离开很快，在这里形成强烈的正空间电荷，导致电场分布畸变，并且大部分管压在此处和阴极之间下降。
以上三个区域为阴极位置下降区域。
4：负发光区：是发光最强的区域。 电子在负辉光区产生多次激发碰撞并发出明亮的辉光。
5：法拉第暗区：电子在负辉区失去能量，进入该区时没有足够的能量产生激发。
6：正柱区：该区域电子密度与正离子密度相等，净空间电荷为零，故又称等离子体区。
7：阳极区域：可以看到阳极暗区和阳极辉光区。 应用：气体放电器件，如气体放电灯（荧光灯、氖灯、原子光谱灯、氖泡）、稳压管、冷阴极晶闸管等。正极柱区用于在激光器中实现粒子束反转，粒子束装置中的冷阴极离子源、半导体工艺中的等离子体蚀刻、薄膜溅射沉积、等离子体化学沉积等。
(3)：光电流效应机理：亚稳态（寿命约为10^(-4)s到10^(-2)s）原子比中性原子更容易电离，产生更多激发态原子，尤其是亚稳态原子，可能会改变放电管中的载流子浓度。
（4）：光电流光谱技术的应用：光电流光谱不需要常规光谱仪的光学系统，可以产生从紫外、可见光、红外到微波的光电流效应。 光电流光谱具有8个数量级的动态范围、高灵敏度、低噪声。 它是一种超灵敏光谱技术。 （Green等人于1976年用激光确认了光电流谱）
(5)：约施效应：当以空气或绝缘气体为介质的气体电容器连续受到可见光照射时，流过电容器的低频电流会发生变化，称为约施效应。
(6)：马尔特效应：当放电管阴极表面有金属氧化膜时，正离子轰击表面时，二次电子发射增强，称为马尔特效应。
制造光电倍增管
光电倍增管可以将闪光转换成放大的电脉冲，然后发送到电子电路进行记录。 计算 当以爱因斯坦方式量化光电效应时，使用以下方程： 光子能量 = 移除电子所需的能量 + 发射电子的动能 代数计算： 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，从原子键中移除电子所需的最小能量，f0 是光电效应发生的阈值频率，Em 为发射电子的最大动能，m 为发射电子的剩余质量，v 为发射电子的速度，注：若光子的能量 (hf ) 不大于功函数 (φ)，则不会弹出电子。 功函数有时标记为W。当这个公式与观察结果不一致时（即没有电子被喷射出来或者电子的动能比预期小），可能是因为系统并不完全有效，部分能量被消耗掉了。以热量或辐射形式损失。光控电器
用光电管制成的光控电器可用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等。右上图是光控继电器的原理图。 其工作原理是：当有光照射到光电管时，光电管电路中产生电光流，经放大器放大，使电磁铁M磁化，吸引衔铁N。当光电管电路中无电流时，利用光电效应自动控制电磁铁M。 还可以测量一些旋转物体的旋转速度。光电倍增管
利用光电效应还可制造多种光电器件，如光电倍增管、电视摄像管、光电管、电子光度计等，这里介绍一下光电倍增管。 该管可以测量非常微弱的光。 右下图显示了光电倍增管的一般结构。 管内除阴极K和阳极A外，还有几个倍增电极K1、K2、K3、K4、K5等。 使用时不仅要在阴极和阳极之间施加电压，而且还要在每个倍增极上施加电压，使阴极电位最低。 各倍增极电位依次升高，阳极电位最高。 这样，两个相邻电极之间就有一个加速电场。 当阴极受到光照射时，发射出光电子，在加速电场的作用下，它们以更大的动能撞击第一个倍增电极。 光电子可以从该倍增极被激发。 这些电子在电场的作用下撞击第二倍增电极，从而激发更多的电子。 这样，激发的电子数量不断增加，最终后阳极收集到的电子数量将比初始数量还要多。 从阴极发射的电子数量增加许多倍（一般为105至108倍）。 因此，这种管子只要受到很微弱的光线照射，就能产生很大的电流。 它在工程、天文、军事等方面发挥着重要作用。
农业病虫害防治
农业害虫治理需要根据害虫的特点，提出环境适宜、生态兼容的技术体系和关键技术。 害虫对敏感光源的反应表现出具有个体差异和群体一致性的趋光行为特征，并通过视觉神经信号响应和生理光子能量需求呈现生物光电效应的本质。 利用昆虫的趋向诱导增益特性，一些光电诱导杀虫灯技术和害虫诱导诱捕技术广泛应用于农业害虫防治中，具有良好的应用前景。