光电效应

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图1 伏安曲线
图2 测定阻遏电压V0与入射光频率v的关系曲线

  光电效应(photoelectric effect),物质受到辐照后释放出电子的效应。1887年德国物理学家H.R.赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。1889年L.霍耳瓦奇发现金属表面受紫外线照射后会释放出带负电的粒子。1900年P.E.A.von勒纳测量了这种粒子的荷质比,证实为电子。金属受到光照后释放出来的电子称光电子。包含阴极和阳极的真空管称光电管。以波长一定的单色光照射光电阴极,测量所加电压V和相应的光电流I,画成伏安曲线如图1。图中每条曲线是在光照强度一定的条件下测得,V0是为使光电流为零所需加的反向电压,称阻遏电压。阻遏电压与光电子的最大初始动能Em的关系为Em=eV0,e为电子电量。测定阻遏电压V0与入射光频率v的关系曲线如图2。

  实险表明:①阻遏电压或最大初始动能与光强无关。②阻遏电压V0与频率v成线性关系为V0=k(v-v0),式中K为直线斜率,为普适常数。上式可写成Em=ekv-ekv0。③只有当入射光频率v≥v0时才能产生光电子,v0称为截止频率(或频率的红限)。不同阴极材料有不同的截止频率。④从光照开始到光电子逸出所需时间称为光电效应的弛豫时间,一般不超过10-9秒。

  若把光看成是电磁波并运用经典电磁理论,就无法圆满解释上述实验规律。A.爱因斯坦在1905年的论文中指出,不仅谐振子的能量及它所辐射的电磁辐射是量子化的(见普朗 克假设),而且辐射场本身也是量子化的,即光本身是由不连续的能量单元组成的能量流,每个单元的能量为hv,称为光量子,简称光子,h为普朗克常数,v为光波频率。根据光子假设,光电阴极中的电子只能整个地吸收光子能量,一部分消耗于从阴极脱出所需作的功,剩下的能量成为光电子的初始动能,即:

    hvEm+W0

  W0是电子从阴极逸出所需作的最小功,称为脱出功(单位电量的脱出功称为功函数,用j表示,即j=W0/e)。上式称为爱因斯坦公式,它与实验规律一致。美国实验物理学家R.A.密立根于1916年通过实验验证了爱因斯坦公式,得出V0与v间严格的线性关系,并从直线斜率测定了普朗克常数。

  按爱因斯坦的光子假设,光具有粒子性,光子具有能量、质量和动量等普通实物粒子所具有的一般属性。光子的质量为hv/c2,动量为hv/c=h/l,c为真空中的光速。A.H.康普顿利用光子概念解释了康普顿散射实验。

  根据光电效应制成的光电管和光电倍增管是重要的光电探测器件。