光电效应及其应用毕业论文.doc

本科毕业论文题 目：光电效应及其应用 学生姓名： xxx 学 院： 物理科学与技术学院 学 号： 08098100XX 专 业： 应用物理学 班 级： 2008 级应用物理 指导教师： 张 教授 二 〇 一 二 年 十二 月目录引言 11.爱因斯坦对光电效应的理论解释 11.1.经典理论的困难 21.2 爱因斯坦的光量子假说 21.2.1 爱因斯坦光量子假说：光子论 21.2.2 用光量子假说解释光电效应 22.光电效应的实验验证 32.1光电效应实验原理 32.1.1 饱和光电流强度 与入射光强成正比 42.1.2 光电子的最大动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关 42.1.3 红限频率 52.2 实验步骤 52.3 实验结果和分析 62.4 实验结论 112.4.1 从以上实验数据、图像及计算，可得如下结论 113. 光电效应在近代技术中的应用 123.1常用的光电器件 123.1.1光敏管 123.1.2光敏电阻器 123.1.3 光敏二极管、三极管 133.1.4光电耦合器 133.1.5太阳能电池 133.2常用光电器件的检测 133.2.1光敏电阻的检测 133.2.2光电耦合器的检测 143.2.3硅光电池的检测 14结语 14参考文献 15致谢 16摘要本文介绍了光电效应的发现及发展，着重叙述了爱因斯坦的光量子假说对光电效应的解释及通过实验来验证了爱因斯坦的光量子假说对光电效应解释的正确性求出了普朗克常数，同时也介绍了康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。

并介绍了光电效应在现代科学技术中的应用及爱因斯坦的其他成就关键词:光电效应；阴极；光量子；普朗克常数；运动定律；相对论AbstractThis passage introduce the discovery and development of photo-electric effect, it emphasize Einstein’s light quanta hypothesis’s contribute to explaining photo-electric effect and theory physics,　it also introduce the application of photo-electric effect in modern scientific technology and other Einstein’s accomplishment.Key words：Photo-electric effect ;Negative pole; Light quantum ;Plank’s constant ;Laws of motion; Theory of Relativity引言光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。

这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）　　光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应　　赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，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，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成　　光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响.1.爱因斯坦对光电效应的理论解释　光电效应使经典电磁波理论陷入困境，给物理学的晴朗天空又增加了一朵乌云，这一事实激励着年青的爱因斯坦（A.Einstein，德，1879－1955）他苦苦地思索着，正在这个时候，理论物理学家普朗克（M.Planck,德1858一1947）发表了能量子的假设，成功地解决了黑体辐射的问题，爱因斯坦对晋朗克的能量子假设进行了研究后，把量子论彻底贯彻到辐射和吸收过程中去提出了崭新的光量子的假设，从而解决了光电效应问题。

1.1.经典理论的困难经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大，即初动能正比于光强但实验上光电子初动能只与频率有关，而与光强无关只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流而经典认为有无光电效应不应与频率有关 瞬时性经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程例如：强度为1W/m2的光照在金属Na 上，需秒,即115天电子才能逸出（经典）1.2 爱因斯坦的光量子假说1.2.1 爱因斯坦光量子假说：光子论假设：一束光是一粒一粒以速度c运动的粒子流，这些粒子称光子，但它们仍保留频率、波长的概念认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性一个频率为的光子具有能量，其中h为普朗克常数，值为：由相对论知识可知： （2-1）可见：光子即具有粒子特性mj 、P，又具有波动性l、n我们将这种波动性和粒子性并存的性质称为光的波粒二象性光的波动性（l）和粒子性（p）是通过普朗克常数联系在一起的由能量守恒定律得： ( A为逸出功)该式称为爱因斯坦光电效应方程。

1.2.2 用光量子假说解释光电效应（1）由 可看出，光子的初动能与光的频率成正比，而与光强无关2）当入射光子的能量小于逸出功时，光电子的初动能为零，不能逸出；只有当hn>A时，才能产生光电效应截止频率n=A/h.（3） 光的强弱只表明光子数的多少，而光子的能量恒定一个光子的能量是一次地被电子吸收，所以，只要hn>A，电子吸收光子即逸出，具有瞬时性2.光电效应的实验验证2.1光电效应实验原理光电效应是电磁波理论所无法解释的1905年爱因斯坦依照普朗克常量的量子假设，提出了关于光的本性的光子假说：当光与物质相互作用时，其能流集中在一些叫光子的粒子上，每个光子都具有能量，其中是普朗克常数，是光的频率当金属中的自由电子从入射光中吸收一个光子的能量时，一部分消耗于电子从金属表面溢出所需要的逸出功，其余转变为电子的动能根据能量守恒有： （3-1）上式称为爱因斯坦方程，其中是光电子质量，是光电子离开金属表面时的最大速度如图(1)所示，是研究光电效应的一种简单实验装置，在光电管的阳极A和阴极K之间加上直流电压.当用单色光照射阴极K时，阴极上就会有光电子逸出，它们将在加速电场的作用下飞向阳极A而形成电流，称为光电流。

光电效应具有下列几个规律：2.1.1 饱和光电流强度 与入射光强成正比若用一定频率和强度的单色光照射阴极K，改变加在A和K两极的电压，测量光电流的变化，则可得到如图(2)所示实验表明，光电流随着正向电压的增大而增大，并逐渐趋于饱和值；而且，饱和电流的大小与入射光强成正比2.1.2 光电子的最大动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关如图(3)所示，当A和K两极电压为零时，光电流不为零；只有当两极间加了反向电压时，光电流才为零，称为截止电压当时两 极间没有外加电场，有光电子具有足够的动能从阴极飞到阳极，从而形成光电流；只有当加一个反向电压，并且足够大以至于等于-时，就是那些具有最大初动能的光电子，也必须将其初动能全部用于克服外电场力做功，从而在外电场的作用下刚刚到达阳极，就返回阴极，使其在回路中不形成光电流，因此有 (3-2)2.1.3 红限频率 如图(4)所示，当入射光频率逐渐增大时，截止电压将随之线性地增加；而且当入射光频率小于某值，截止电压为零，这一频率称为截止频率或红限频率，红限频率与阴极材料有关。

爱因斯坦方程可以很好的解释这一现象，的关系可表示如下： (3-3) 阴极材料的逸出功越大，红限频率越高，即要求入射光子的能量越大入射光频率越高，光电子的动能越大，需要的反向截止电压越高，而且反向截止电压与入射光频率成线性关系，直线的斜率是普朗克常量与电子电量之比2.2 实验步骤 用WD-Ⅱ型光电效应测试仪，验证爱因斯坦光电效应方程和测定普朗克常量，设计以下实验步骤1)连接仪器根据电路图(1)，将光电效应实验仪用相关导线正确连接，接上电源2)不开汞灯打开测试仪电源，先调零，调满偏，在每次换挡要调零实验前、后要用遮光盖将光电管的进光孔盖住，实验中要换滤色片时将遮光盖盖住汞灯出光处；(3)测暗电流的关系用遮光盖盖住光电管，只开测试仪，在无光照情况下，调节电压旋钮，使在-2.0—0.5V，测出相应的暗电流大小4)测本底电流的关系罩住再开汞灯，开测试仪，分别用405nm、436nm滤色片罩住光电管，在室内杂散光照射下，调-2.0—0.5V，测出相应的的大小5)测光电管在不同滤色片时(即不同频率的光照射下)产生的光电流的大小。

打开汞灯，分别用波长为365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的滤色片罩在光电管进光孔口上，调节电压-2.0—0.5V，测量相应的光电流大小，测时可先测出时的截止电压.(6) 测光电流的大小与光强的关系选用的滤色片，分别用5mm、10mm的光阑，调节电压范围，测出图像2.3 实验结果和分析(1)光电管暗电流、本底电流数据及图像(5)表1：暗电流数据,对应图(5)线曲1-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-45-41-38-35-33-30-27-25-22-0.200.20.40.5-20-17-14-12-11表2：时本底电流数据 ( ) 对应图(5)曲线2-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-46-43-41-39-36-34-31-28。