光电效应的实验规律有哪几个方面(谁成功的解释了光电效应的实验规律)

导语：光电效应的实验规律

预备知识：

光强可表示为单位时间内单位面积上的光子数乘以每个光子的能量.

即用I表示光学中的光强，ν表示光的频率，S为照射区域面积，N为时间间隔t内照到A上的光子总数，则I=Nhν/St.

(1)在保持入射光频率不变的条件下,光强I增加1倍,意味着单位时间内入射的单位面积的光子数也增加1倍,结果饱和光电流将增加1倍,截止电压不变。

(2)在保持入射光强度(光子数)不变的条件下,入射光频率增加1倍,每个光子的能量增加1倍,电子获得的初动能增大,结果截止电压相应增加hν/e,因为单位时间内入射的光子数不变,则饱和光电流不变.

光的强度越大，亮度也越大，亮度与强度成正比，当知道一个物体表面的反射系数及其表面的照度时，便可推算出它的亮度，从光的本性来讲，把光看成电磁波场，光场中某点的光强指的是通过该点的平均能流密度。

1.光电效应现象

（1）演示：如图17-2-1所示，用紫外线灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，这说明锌板在光的照射下发射了电子.

☞太阳能电池发电(光伏发电)的原理主要是半导体的光电效应，即利用光电材料受光射照射后发生光电效应，实现能量转换。

能产生光电效应的材料有许多种，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等半导体材料。硅基太阳能电池的主要材料为硅，硅原子含有14个电子，排列在三个不同的核外电子层中，距离原子核的头两个电子层完全填满，最外层电子处于半满状态，只有4个电子。硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层（8个电子）以达到稳定状态，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，形成晶体结构。向纯净硅晶体中掺入特定杂质可以改变其特性。当掺入硼时，硼原子核最外层只有3个电子，掺杂到硅晶体就存在许多空穴，这个空穴因为没有专用的价电子而变得不稳定，容易吸收电子而中和为中性粒子，这种半导体称为P型半导体。当掺入磷原子时，磷原子有5个电子，就会有一个多余的电子而变得非常活跃，这种半导体称为型半导体。当外部不给半导体施加能量作用是，半导体中的电子充满价电子带，在导带中不存在自由电子，半导体不显示导电性。如果半导体获得外部能量作用，如光照时期温度上升，价电子带的电子接到热能而激发跳跃到导带，自由电子的产生及价电子失去电子后产生空穴成为带正电荷的自由粒子均有利于导电，半导体表现出导电性。半导体温度越高，导电性能就越好。当P型和N型半导体结合在一起时，P型一侧带负电，N型一侧带正电，PN结两侧出现浓度差，产生电子漂移电流。光照不止，入射光子能量足够，电子流不断，电源也就不断产生了。

（2）定义：在光的照射下金属发射出电子的现象叫作光电效应.发射出来的电子称为光电子.

2.光电效应实验

（1）实验装置

①光电管：阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子，这个密封装置叫作光电管.如图所示，光电管的形状可以是长方体也可以是球体，光电管接在电路中相当于一个光控开关.

②实验电路：如图所示，加在K与A之间的电压大小光可以调节，电源正负极可以对调.当S₁闭合，S₂断开时，阳极A接在电源正极，阴极K接在电源负极，在A和K两极之间的空间产生由A指向K的电场，光电管阴极产生的光电子受到指向阳极A的静电力作用而向阳极A加速运动，这时加在光电管上的电压叫正向电压；反之，当S₁断开，S₂闭合时所加电压为反向电压，电子向阳极A做减速运动.当滑动变阻器的滑片向右滑动时加在光电管两端的电压（不管是正向电压还是反向电压）增大，向左滑动时电压减小.

（2）光电流

有光电子从阴极K射出并能够运动到阳极A时，电流表指针会偏转，光电管中会形成电流，这个电流就叫光电流、电流表的示数就是光电流的大小.

（3）实验结论

①光电流存在饱和值：在入射光的强度与频率不变的情况下，实验的I-U曲线如图所示.

由曲线可知，当正向电压U增加到一定值时、光电流达到饱和值Im.这是因为此时单位时间内从阴极K射出的光电子全部到达阳极A被吸收.若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n，则饱和电流Im＝ne，式中e为电子电荷量.

②光电子具有初动能：由I-U曲线可知，当电压U减小到零时，光电流并没有减小至零，也就是电子仍然能够自发地运动到阳极A，这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能.

③存在遏止电压：由I-U曲线可知，当电压变为反向电压时，尽管有电场阻碍光电子向阳极A运动，但仍有部分光电子能到达阳极A，说明不同光电子从阴极K射出时的初动能并不相同.但是当反向电压为Uc时，恰好能阻止所有的光电子飞到阳极A，使光电流减小到零，这个电压叫遏止电压.它使具有最大初速度的光电子也不能到达阳极A.如果不考虑测量误差，那么我们就能利用动能定理来确定光电子的最大初速度Vc和最大初动能，即meVc²/2＝eUc.

④存在截止频率（又叫极限频率）：在用相同频率、不同强度的光去照射阴极K时，得到的I-U曲线如图甲所示.它显示出对于同频率、不同强度的光，遏止电压Uc是相同的.这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的.此外，用不同频率的光去照射阴极K时，实验结果是频率越高，遏止电压Uc越大，并且频率与遏止电压Uc呈线性关系，如图乙所示.频率低于的光，不论强度多大，都不能使阴极产生光电子，因此称为阴极K的截止频率.对于不同的材料，截止频率不同，截止频率是发生光电效应的入射光的最小频率.

3.光电效应的实验规律

（1）饱和电流和入射光的强度的关系

饱和电流Im的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比.

入射光的强度是指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量.在人射光的频率不变的情况下，入射光的强度与光子数成正比.人射光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子就多，因而饱和电流大.

（2）光电子的最大初动能与入射光的强度的关系

光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关，频率越高，光电子的最大初动能越大.

（3）光电效应的产生与入射光的频率和光强的关系

①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应

②频率低于νc的入射光，无论光的强度多大、照射时间多长，都不能使光电子逸出.

入射光强度→(决定着)发生光电效应时，单位时间内发射出来的光电子数.

入射光频率→(决定着)是否产生光电效应及发生光电效应时光电子的最大初动能.

（4）光电效应具有瞬时性

光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量精度范围（≤10⁻⁹s）内观察不出这两者存在滞后现象，即光电效应几乎是瞬时发生的.电子一次性吸收光子的全部能量，不需积累能量的时间.

☞与光电效应有关的五组概念对比

1、光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果

2.光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能.

3.光电流与饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关.

4.入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量.

5.光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系.

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