爱因斯坦的光子说：光电效应的理论与实验

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爱因斯坦的光子说：光电效应的理论与实验

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https://physexp.thu.edu.tw/~AP/YC/EIN/HTML/Einstein_PhotoElec.html

光电效应是物理学中的一个重要现象，它揭示了光的粒子性。本文将带你深入了解光电效应的原理、实验过程以及相关现象，帮助你更好地理解这一重要的物理现象。

光电效应概述

光电效应是指光束照射物体时使其发射出电子的物理效应。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹发现，紫外线照射到金属电极上，可以帮助产生电火花。1905年，爱因斯坦发表论文《关于光产生和转变的一个启发性观点》，给出了光电效应实验数据的理论解释。爱因斯坦主张，光的能量并非均匀分布，而是负载于离散的光量子（光子），而这些光子的能量和其所组成的光的频率有关。这个突破性的理论不但能够解释光电效应，也推动了量子力学的诞生。

光电效应实验

在一个真空的玻璃或石英封闭容器内，装置了金属发射极与集电极，将两个电极连接至可变电源两端，用电流表测量两个电极之间的电流。假设没有照射任何光束于发射极，则由于发射极与集电极之间呈断路状况，电流表量度到的电流为零。假设照射光束于发射极，给予适当光频率、电压条件，则电流表会量度到电流。

截止电压

右图是不同辐照度的光束照射于金属表面，电流(I)随电压(V)的关系曲线图。三条曲线按照辐照度从大至小顺序排列为a、b、c。按照这曲线图做分析推论，给定适当光频率，给定辐照度，正电压(V)越大，使得发射极的电位越低于集电极的电位，则越多从发射极发射出的光电子会因电场力被吸引至集电极，因此电流(I)跟着增大，直到所有发射出来的光电子都被聚集于集电极为止，这时，电流会达到饱和值，称为“饱和电流”(I_s)，再增加正电压也不会增加电流。如右图所示，给定适当光频率与适当电压，调整辐照度，则辐照度越大，电流越大，饱和电流也越大。现在假设电压(V)是负值，负电压越负，使得发射极的电位越高于集电极的电位，则越多从发射极发射出的光电子会因电场力被集电极排斥，无法抵达集电极，因此电流会跟着减小，直到变为零为止，没有任何光电子会抵达集电极，这使得电流变为零的负电压，其绝对值(V_{stop})称为“截止电压”（遏制电压）。

光电效应的其他现象

除了光电效应以外，在其它现象里，光子束也会影响电子的运动，包括光电导效应、光生伏打效应、光电化学效应。

光电导效应或光电导：电磁波入射到物体表面导致其电导率变化的现象。当光被诸如半导体的材料吸收时，电子受到足够能量时将越过能隙被激发至导带。半导体内的自由电子和电洞增加，进而导致电导增加。
光生伏打效应：简称太阳能光电效应，是指受光线或其他电磁辐射照射的半导体或半导体与金属组合的部位间产生电压与电流的现象。光生伏打效应与光电效应密切相关，属内光电效应。在光电效应中，材料吸收了光子的能量产生了一些自由电子溢出表面。而在光生伏打效应中，由于材料内部的不均勻（例如当材料内部形成PN接面时）在自建电场的作用下，受到激勵的电子和失去电子的电洞向相反方向移动，而形成了正负两极。在实际应用中的光能通常来自太阳能，这样的元件即是一般所指的太阳能电池。
光电化学电池：第一种类似染料敏化太阳能电池产生电能，满足光伏电池的标准定义。第二种是光电解电池，入射至光敏剂、半导体或浸在电解液中的水性金属上的光直接引起化学反应，例如通过水电解产生氢的装置。