實驗流程
1887年，赫茲在做火花放電實驗時意外發現了光電效應，證實了麥克斯韋的電磁理論。 赫茲使用了兩組放電電極進行實驗，一組產生振蕩并發射電磁波；另一組則產生振蕩并發射電磁波。 另一組作為接收器。 他意外地發現，如果接受電磁波的電極受到紫外線照射，就更容易產生火花放電。 赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發表后，引起了物理學界的廣泛關注，許多物理學家進行了進一步的實驗研究。
1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯（）證實這是由于放電間隙中出現了帶電體所致。
1899年，JJ湯姆遜用巧妙的方法測量了產生的光電流的荷質比，得到的值與陰極射線粒子的荷質比相似。 這表明產生的光電流是像陰極射線一樣的電子流。 這樣，物理學家認識到，這種現象的本質是光（尤其是紫外線）照射金屬表面，使金屬內部的自由電子獲得更大的動能，從而從金屬表面逃逸的現象。 1899年至1902年，倫納德（，P.，1862-1947）對光電效應進行了系統的研究，并首先將這種現象稱為“光電效應”。 為了研究光電子從金屬表面逸出時的能量，倫納德在電極之間添加了可調節的反向電壓，直到光電流被切斷。 根據反向電壓的截止值，可以估計電子從金屬表面逃逸的時間。 最大速度。 他選擇不同的金屬材料，使用不同的光源，研究反向電壓的截止值，總結出光電效應的一些實驗規律。 根據動能定理：qU=mv2/2，可以計算出發射電子的能量。 可以得出：hf=(1/2)mv2+I+W
深入實驗發現的定律與經典理論存在很多矛盾，但很多物理學家仍然想在經典電磁理論的框架內解釋光電效應的實驗定律。 一些物理學家試圖將光電效應解釋為共振現象。 于1902年提出觸發假說，假設電子發射過程中，光只起到觸發作用。 當振動頻率一致時，就會發生共振，電子以自己的速度從原子內部逸出。 倫納德認為，原子中電子的振動頻率是特定的，只有頻率合適的光才能觸發它。 雷納德的假說在當時很有影響力，被一些物理學家接受。 然而很快，雷納德的觸發假說就被他自己的實驗所反駁。
發現模式
通過大量實驗，得出光電效應有以下實驗規律：
1、每種金屬產生光電效應時都有一個極限頻率（或截止頻率），即照射光的頻率不能低于某個臨界值。 相應的波長稱為極限波長（或紅極限波長）。 當入射光的頻率低于極限頻率時，無論光有多強，電子都無法逃逸。
2、光電效應中產生光電子的速度與光的頻率有關，與光強無關。
3.光電效應的瞬時性。 實驗發現，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，無論光的亮度如何，光子的產生幾乎是瞬時的，即金屬被照射時幾乎立即產生光電流。 響應時間不超過十的負九秒次方（1ns）。
4、入射光的強度只影響光電流的強度，即只影響單位時間內從單位面積逃逸的光電子的數量。 當光的顏色不變時，入射光越強，飽和電流越大，即對于某種顏色的光，入射光越強，在一定時間內發射出的電子越多。
與經典理論的矛盾
在光電效應中，顯然需要足夠的能量來釋放光電子。 根據經典電磁理論，光是一種電磁波，電磁波的能量是由其強度決定的，即只與電磁波的振幅有關，與電磁波的頻率無關。海浪。 實驗規則中的第一點和第二點顯然無法用經典理論來解釋。 第三篇文章也解釋不了，因為根據經典理論，很弱的光要讓電子獲得足夠的能量逃逸，必須有一個能量積累的過程，不可能瞬間產生光電子。
在光電效應中，電子的噴射方向并不完全具有方向性，而是大部分都是垂直于金屬表面發射的，與光的方向無關。 光是一種電磁波，但光是一種高頻振蕩的正交電磁場。 振幅很小，不會影響電磁場。 電子發射的方向受到影響。
所有這些，實際上暴露了經典理論的缺陷。 要解釋光電效應，必須突破經典理論。
光電效應分為：外光電效應和內光電效應。
內光電效應是光激發產生的載流子（自由電子或空穴）仍在材料內部移動，導致材料的電導率發生變化或產生光伏的現象。 外光電效應是受光激發的電子從材料表面逸出并在真空中形成電子的現象。
外光電效應
在光的作用下，物體中的電子從物體表面逸出并向外發射的現象稱為外光電效應。
外光電效應的一些實驗規律
A。 只有當照射物體的光的頻率不小于一定值時，物體才能發射光電子。 該頻率稱為極限頻率（或截止頻率），對應的波長λ0稱為極限波長。 不同材料的極限頻率和相應的極限波長λ0是不同的。
某些金屬的極限波長（單位：埃）：
銫
鈉
鋅
銀
鉑
6520
5400
3720
2600
1960年
b. 光電子逃離物體時的初速度與照射光的頻率有關，與發光強度無關。 也就是說，光電子的初始動能僅與照射光的頻率有關，與發光強度無關。
c.當光的頻率保持恒定時，入射光越強，在該時間內陰極（發射光電子的金屬材料）發射的光電子越多。
d. 由實驗可知，產生光電流的過程非常快，一般不超過10的9次方； 當光照射停止時，光電流立即停止。 這說明光電效應是瞬時的。
e. 愛因斯坦方程：hν=(1/2)mv^2+I+W
式中(1/2)mv^2是從物體逸出的光電子的初始動能。 金屬內部存在大量的自由電子，這是金屬的一個特性。 因此，對于金屬，I項可以省略，愛因斯坦方程變為 hυ=(1/2)mv^2+W 如果 hυ
注意：如果光子的能量（hf）不大于功函數（φ），則不會發射電子。 功函數有時標記為W。當這個公式與觀察結果不一致時（即沒有電子被噴射出來或者電子的動能比預期小），可能是因為系統并不完全有效，部分能量被消耗掉了。以熱量或輻射形式損失。 愛因斯坦因對光電效應的成功解釋而獲得1921年諾貝爾物理學獎。
基于外光電效應的電子元件有光電管和光電倍增管。 光電倍增管可以將閃光轉換成放大的電脈沖，然后發送到電子電路進行記錄。
內光電效應
當光線照射到物體上時，物體的電導率發生變化，或者產生光生電動勢。 分為光導效應和光伏效應（光伏效應）。
1 光電導效應
在光的作用下，電子吸收光子能量并從鍵合態躍遷到自由態，引起材料電導率的變化。
當光線照射到光電導體上時，如果光電導體是本征半導體材料，并且光輻射能量足夠強，則光電導體價帶中的電子會被激發到導帶，使得光電導體的電導率變大。 。
基于這種效應的光電器件包括光敏電阻。
2 光伏效應
能使物體在光的作用下產生一定方向電動勢的現象。 基于這種效應的器件包括光伏電池、光電二極管和三極管。
①勢壘效應（結光電效應）
當光照射PN結時，如果hf≥Eg，則價帶中的電子躍遷到導帶，從而產生電子空穴對。 在勢壘層中電場的作用下，電子偏向N區外側，空穴偏向P區外側。 ，使P區帶正電，N區帶負電，形成光生電動勢。
②橫向光電效應（丹培效應）
當半導體光電器件受到不均勻照射時，受照射部分會產生電子空穴對，載流子濃度大于未照射部分的載流子濃度。 出現載流子濃度梯度，引起載流子擴散。 如果電子比空穴擴散得更多，則受照射部分帶正電，未受照射部分帶負電，從而產生電動勢，這就是橫向光電效應。
③光電磁效應
當半導體受到強光照射，并在垂直于光的方向施加磁場時，半導體垂直于光和磁場的兩個端面之間產生電勢的現象稱為光電磁效應，可以視為光擴散電流的霍爾效應。
④貝克勒爾效應
指液體中的光伏效應。 當光照射浸入電解質中的兩個相同電極之一時，兩個電極之間產生電勢的現象稱為貝克勒爾效應。 感光細胞的工作原理就是基于這種效應。
⑤紫外光電效應
當紫外線照射某些金屬表面時，金屬內部的自由電子從金屬表面逸出。 該紫外光電子發射構成紫外光電效應的組成部分之一。 早在1887年，德國物理學家（1857~1894）在研究紫外線輻射時首先發現了光電發射現象。 1888年，俄羅斯物理學家斯托列托夫（1839~1896）用實驗證明了光電發射。
3 光子拉動效應
當光子與半導體中的自由載流子相互作用時，光子將動量傳遞給自由載流子，自由載流子將沿著光的傳播方向相對于晶格移動。 因此，在開路的情況下，半導體樣品將產生電場，阻礙電荷載流子的移動。 這種現象稱為光子拉效應。
愛因斯坦的光量子解釋
1905年，愛因斯坦進一步推廣了普朗克的量子化概念。 他指出：不僅黑體與輻射場之間的能量交換是量子化的，而且輻射場本身也是由不連續的光量子組成的。 每個光量子的能量與輻射場的頻率滿足ε=hν，即其能量只與光量子的頻率有關，與強度（振幅）有關。
愛因斯坦光電效應方程
根據愛因斯坦的光量子理論，發射到金屬表面的光本質上是能量為ε=hν的光子流。 如果照射光的頻率太低，即光子流中每個光子的能量就小。 當它照射金屬表面時，電子吸收了這個光子，增加的能量ε=hν仍然小于電子離開金屬表面的能量。 如果需要必要的功函數，電子就無法從金屬表面逃逸，因此無法產生光電效應。 如果照射光的頻率足夠高，使電子吸收足夠的能量來克服功函數并脫離金屬表面，就會發生光電效應。 此時，發射電子的動能、光子能量和功函數之間的關系可以表示為：光子能量=除去一個電子所需的能量（功函數）+發射電子的動能。
即：hf=(1/2)mv^2+Φ
這就是愛因斯坦的光電效應方程。
其中，h為普朗克常數； f 是入射光子的頻率
功函數
Φ是功函數，是指從原子鍵上移走電子所需的最小能量。 表達式如右所示，其中f0為光電效應發生的閾值頻率，即極限頻率； 功函數有時用 W 或 A 標記。
動能表達式
E(kmax)為逃逸電子的最大動能，如右圖； m是發射電子的靜止質量； vm 是發射電子逸出時的初速度。
注：當此公式與觀察結果不符時（即沒有電子被噴射或電子的動能小于預期），可能是因為系統沒有完全高效，部分能量以熱或輻射的形式損失了。
實驗電路
根據愛因斯坦的光量子理論，光電效應中光電子的能量由照射光的頻率決定，與照射光的強度無關。 因此，第一和第二兩個實驗規則就可以解釋。 極限頻率是指光子的能量剛好足以克服金屬的功函數的光量子頻率。 不同的金屬電子逃逸所需的能量不同，因此不同金屬的極限頻率也不同。 關于第三項，因為當光子的能量足夠時光電效應，無論光強如何（僅取決于光子的數量），電子吸收光子后都可以立即逃逸，因此可以立即產生光電效應，而無需需要一個積累的過程。 當光照射到金屬表面時，強度越大，光子的數量就越多，被金屬中的電子吸收的可能性就越大。 因此，可以解釋為什么發射的電子數量只與光的強度有關，而與光的性質無關。 頻率無關緊要。
光的量子解釋的實驗驗證
愛因斯坦利用光量子理論提出光電效應的理論解釋后，科學界最初反應冷淡。 甚至一些相信量子概念的物理學家也不接受光量子假說。 盡管該理論與現有的實驗事實并不矛盾，但目前還沒有足夠的實驗來支持愛因斯坦光電效應方程給出的定量關系。 直到1916年，美國物理學家密立根才完成了光電效應的定量實驗研究。
密立根對光電效應進行了長期的研究。 經過十年的測試、改進和學習，他有效地消除了表面接觸電位差等因素的影響，獲得了相對較好的單色光。 他的實驗非常出色。 1914年，他首次通過實驗驗證了愛因斯坦方程準確成立。 他還首次對普朗克常數h進行了直接光電測量，精度約為0.5%（在實驗誤差中）。 范圍內）。 1916年，密立根發表了他精確的實驗結果。 他用六種不同頻率的單色光來測量反向電壓截止值與頻率曲線的關系。 這是一條很好的直線，可以從直線的斜率算出。 普朗克常數。 結果與1900年普朗克從黑體輻射得到的值非常吻合。
衍生物
(1)光伏效應異常：
光伏效應
一般光生電壓不會超過Vg=Eg/e，但有些薄膜半導體在強白光照射下會產生遠高于Vg的光生電壓，稱為反常光伏效應。 （觀察到光生電壓為5000V）
20世紀70年代，人們發現光鐵電體的反常光伏效應（APV）可以產生1000V至1000V的電壓，并且僅出現在晶體的自發極化方向。
光電壓：V=(Jc/(σD+Δσl))l
(2)貝克勒爾效應：
當兩個相同的電極浸入電解質中并用光照射其中之一時，兩個電極之間會產生電位差，這稱為貝克勒爾效應。
（可以模仿光合作用制造高效太陽能電池）
(3) 光子拉動效應：
當光子能量不足以產生電子空穴的激光束照射到樣品上時，可以在樣品的光束方向的兩端建立電勢差VL。 其大小與光功率成正比，稱為光子牽引效應。
（4）俄歇效應（1925年法國俄歇）
利用高能光子或電子將電子從原子內層射出光電效應，同時產生一定能量的電子（俄歇電子），使原子和分子稱為高階離子的現象，稱為俄歇效應。
應用：俄歇電子能譜用于表面分析，以識別不同分子的“指紋”。
光電效應
(5)光電流效應(1927年平移)
放電管兩級之間光電壓（電流）的變化稱為光電流效應。
(1)：可排出低壓氣體（惰性氣體約100Pa）
(2)：空間電荷效應和輝光放電：
放電管從陰極到陽極有7個不同的區域：
1：阿斯頓暗區：靠近陰極的一層薄薄的暗區。 原因：來自陰極的正離子轟擊的二次電子的動能很小，不足以激發原子發光。
2：陰極輝光區：阿斯頓暗區之后的非常薄的發光層。
3：陰極暗區：當電子從陰極到達此區域時，獲得的能量越來越多，超過原子電離能，引起大量的碰撞電離，這里發生雪崩電離過程。電離后，電子離開很快，在這里形成強烈的正空間電荷，導致電場分布畸變，并且大部分管壓在此處和陰極之間下降。
以上三個區域為陰極位置下降區域。
4：負發光區：是發光最強的區域。 電子在負輝光區產生多次激發碰撞并發出明亮的輝光。
5：法拉第暗區：電子在負輝區失去能量，進入該區時沒有足夠的能量產生激發。
6：正柱區：該區域電子密度與正離子密度相等，凈空間電荷為零，故又稱等離子體區。
7：陽極區域：可以看到陽極暗區和陽極輝光區。 應用：氣體放電器件，如氣體放電燈（熒光燈、氖燈、原子光譜燈、氖泡）、穩壓管、冷陰極晶閘管等。正極柱區用于在激光器中實現粒子束反轉，粒子束裝置中的冷陰極離子源、半導體工藝中的等離子體蝕刻、薄膜濺射沉積、等離子體化學沉積等。
(3)：光電流效應機理：亞穩態（壽命約為10^(-4)s到10^(-2)s）原子比中性原子更容易電離，產生更多激發態原子，尤其是亞穩態原子，可能會改變放電管中的載流子濃度。
（4）：光電流光譜技術的應用：光電流光譜不需要常規光譜儀的光學系統，可以產生從紫外、可見光、紅外到微波的光電流效應。 光電流光譜具有8個數量級的動態范圍、高靈敏度、低噪聲。 它是一種超靈敏光譜技術。 （Green等人于1976年用激光確認了光電流譜）
(5)：約施效應：當以空氣或絕緣氣體為介質的氣體電容器連續受到可見光照射時，流過電容器的低頻電流會發生變化，稱為約施效應。
(6)：馬爾特效應：當放電管陰極表面有金屬氧化膜時，正離子轟擊表面時，二次電子發射增強，稱為馬爾特效應。
制造光電倍增管
光電倍增管可以將閃光轉換成放大的電脈沖，然后發送到電子電路進行記錄。 計算 當以愛因斯坦方式量化光電效應時，使用以下方程： 光子能量 = 移除電子所需的能量 + 發射電子的動能 代數計算： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2 )mv ^2 其中 h 是普朗克常數，h = 6.63 ×10^-34 J·s，f 是入射光子的頻率，φ 是功函數，從原子鍵中移除電子所需的最小能量，f0 是光電效應發生的閾值頻率，Em 為發射電子的最大動能，m 為發射電子的剩余質量，v 為發射電子的速度，注：若光子的能量 (hf ) 不大于功函數 (φ)，則不會彈出電子。 功函數有時標記為W。當這個公式與觀察結果不一致時（即沒有電子被噴射出來或者電子的動能比預期小），可能是因為系統并不完全有效，部分能量被消耗掉了。以熱量或輻射形式損失。光控電器
用光電管制成的光控電器可用于自動控制，如自動計數、自動報警、自動跟蹤等。右上圖是光控繼電器的原理圖。 其工作原理是：當有光照射到光電管時，光電管電路中產生電光流，經放大器放大，使電磁鐵M磁化，吸引銜鐵N。當光電管電路中無電流時，利用光電效應自動控制電磁鐵M。 還可以測量一些旋轉物體的旋轉速度。光電倍增管
利用光電效應還可制造多種光電器件，如光電倍增管、電視攝像管、光電管、電子光度計等，這里介紹一下光電倍增管。 該管可以測量非常微弱的光。 右下圖顯示了光電倍增管的一般結構。 管內除陰極K和陽極A外，還有幾個倍增電極K1、K2、K3、K4、K5等。 使用時不僅要在陰極和陽極之間施加電壓，而且還要在每個倍增極上施加電壓，使陰極電位最低。 各倍增極電位依次升高，陽極電位最高。 這樣，兩個相鄰電極之間就有一個加速電場。 當陰極受到光照射時，發射出光電子，在加速電場的作用下，它們以更大的動能撞擊第一個倍增電極。 光電子可以從該倍增極被激發。 這些電子在電場的作用下撞擊第二倍增電極，從而激發更多的電子。 這樣，激發的電子數量不斷增加，最終后陽極收集到的電子數量將比初始數量還要多。 從陰極發射的電子數量增加許多倍（一般為105至108倍）。 因此，這種管子只要受到很微弱的光線照射，就能產生很大的電流。 它在工程、天文、軍事等方面發揮著重要作用。
農業病蟲害防治
農業害蟲治理需要根據害蟲的特點，提出環境適宜、生態兼容的技術體系和關鍵技術。 害蟲對敏感光源的反應表現出具有個體差異和群體一致性的趨光行為特征，并通過視覺神經信號響應和生理光子能量需求呈現生物光電效應的本質。 利用昆蟲的趨向誘導增益特性，一些光電誘導殺蟲燈技術和害蟲誘導誘捕技術廣泛應用于農業害蟲防治中，具有良好的應用前景。