基于高中生視角談光電效應(yīng)的發(fā)展與應(yīng)用

劉雨龍

摘要：光電效應(yīng)是物理學(xué)中的一個(gè)基礎(chǔ)概念，應(yīng)用廣泛且綠色節(jié)能。課堂上老師在講述光電效應(yīng)時(shí)，筆者覺(jué)得光生電真的是神奇，此后就一直搜集關(guān)于光電效應(yīng)的資料，關(guān)注光電效應(yīng)的發(fā)展以及光電效應(yīng)的應(yīng)用。筆者寫(xiě)這篇文章，就是想站在高中生的角度，和大家交流對(duì)光電效應(yīng)發(fā)展與應(yīng)用的看法。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；發(fā)展；應(yīng)用

一、光電效應(yīng)的發(fā)展

1887年，德國(guó)物理學(xué)者海因里?！ず掌澰谧鲭姶艑?shí)驗(yàn)時(shí)，偶然觀察到了后來(lái)被稱作光電效應(yīng)的現(xiàn)象。在研究電磁波的發(fā)射與接收實(shí)驗(yàn)中，赫茲制造和發(fā)射電磁波的方式是通過(guò)發(fā)射器里的火花不斷地制造火花，接收器里也有一個(gè)火花間隙，而且還有一個(gè)線圈，每當(dāng)發(fā)射器發(fā)射的電磁波可以被線圈檢測(cè)到的時(shí)候，火花就在火花間隙中產(chǎn)生。后來(lái)赫茲發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生光電效應(yīng)的原因是紫外線的入射。但是這個(gè)現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)無(wú)法解釋，光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)阻礙了光的電子說(shuō)的繼續(xù)深入探討。可惜的是，赫茲并沒(méi)有繼續(xù)研究光電效應(yīng)[1]。但是，人們對(duì)光電效應(yīng)的研究不會(huì)結(jié)束。1888年，德國(guó)物理學(xué)家霍爾瓦克斯通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，赫茲實(shí)驗(yàn)中接收器中之所以產(chǎn)生火花，是因?yàn)樵诜烹婇g隙產(chǎn)生了荷電體。

1897年，第三任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任約瑟夫·湯姆孫在演講中表示，通過(guò)觀察在克魯克斯管里的陰極射線所造成的熒光輻照度，湯姆孫發(fā)現(xiàn)陰極射線和一般的原子粒子相比，陰極射線在空氣中透射的能力更強(qiáng)。在那之后，湯姆孫通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，而且證明了電子的存在，湯姆孫的這些發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展具有里程碑的意義。1899年，湯姆孫又測(cè)出了發(fā)射粒子的荷質(zhì)比。湯姆孫通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)和精確的對(duì)比得出了結(jié)論，荷電體與陰極射線的本質(zhì)是一樣的，二者都是電子流[2]。

二十世紀(jì)初，匈牙利物理學(xué)家菲利普·萊納德在前人結(jié)論的基礎(chǔ)上，又通過(guò)自己不斷地實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了了幾個(gè)關(guān)于光電效應(yīng)的重要結(jié)論。第一，以改變紫外光源與陰極之間的距離為基礎(chǔ)，在單位時(shí)間內(nèi)，光源輻照度越大，從陰極發(fā)射出的光電子數(shù)量越多。第二，如果改變陰極使用的材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察可知，即使采用不同的材料，但所發(fā)射出的光電子的最大速度都是一定的。第三，如果改變陰陽(yáng)極之間的電壓，光電子的最大速度與截止電壓成正比，與輻照度無(wú)關(guān)?？缮鲜鼋Y(jié)論在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有一個(gè)物理學(xué)說(shuō)可以解釋，也給當(dāng)時(shí)關(guān)于光電效應(yīng)的研究造成了困擾[3]。

二、光電效應(yīng)的應(yīng)用

1、農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防治。防治病蟲(chóng)害一直備受人們關(guān)注，想要治理農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害，需要根據(jù)害蟲(chóng)的本身特性選擇有針對(duì)性的方法。害蟲(chóng)在日常行為中可通過(guò)自身產(chǎn)生生物光電效應(yīng)，不同種害蟲(chóng)對(duì)于敏感光源的敏感程度由于自身的特性都會(huì)有所不同，而且害蟲(chóng)群體一般都具有趨光性。利用害蟲(chóng)的這些特性，農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害的防治可應(yīng)用光電殺蟲(chóng)燈技術(shù)等，發(fā)展前景十分良好。

2、太陽(yáng)能電池。又稱為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有136個(gè)國(guó)家開(kāi)始推廣并普及太陽(yáng)能電池，其中，95個(gè)國(guó)家正在重點(diǎn)研究太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)，并不斷研制與太陽(yáng)能電池相關(guān)的新型節(jié)能綠色產(chǎn)品。太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始從一些科研領(lǐng)域進(jìn)入日常應(yīng)用領(lǐng)域，而且可以應(yīng)用到一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，節(jié)省建造輸電線路的高昂費(fèi)用。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，各國(guó)現(xiàn)在都越來(lái)越重視綠色能源和保護(hù)環(huán)境，太陽(yáng)能電池作為一種新型綠色能源，發(fā)展空間極其巨大，雖然現(xiàn)在仍然有很多技術(shù)難題，但是筆者相信，隨著我國(guó)綜合實(shí)力的穩(wěn)定提升和人才的不斷涌現(xiàn)，太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)的進(jìn)程一定會(huì)越來(lái)越快。

3、光電傳感器。光電傳感器也是光電效應(yīng)的一個(gè)重要應(yīng)用，光電傳感器的作用原理簡(jiǎn)單，組成元件少，可測(cè)量的變化值多，測(cè)量準(zhǔn)確，反應(yīng)迅速，因此在檢測(cè)其他物理變化值時(shí)，光電傳感器得到了廣泛應(yīng)用。光電傳感器在煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀、條形碼掃描筆、產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、光電式煙霧報(bào)警器等產(chǎn)品中均有應(yīng)用。

4、光電倍增管。光電倍增管的制造原理之一是外光電效應(yīng)，是一種光敏電真空器件，具有響應(yīng)迅速、噪聲低、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，主要電子、醫(yī)療、化工、天文研究等領(lǐng)域，在天文研究中，可以測(cè)量天體光強(qiáng)弱的快速變化，還可以測(cè)量不是很明亮的天體。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)光電效應(yīng)的研究也越來(lái)越深入，不斷發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和新的規(guī)律，并應(yīng)用到科研和日常領(lǐng)域，為人們的生活帶來(lái)便利。筆者在查閱資料時(shí)，不僅對(duì)發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)各種規(guī)律的各位物理學(xué)家感到敬佩，更覺(jué)得物質(zhì)轉(zhuǎn)換真的是令人驚訝和贊嘆。筆者會(huì)持續(xù)關(guān)注光電效應(yīng)的先進(jìn)研究成果，并不斷完善和提高自己能力，希望自己也可以為科研事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

參考文獻(xiàn)

[1] 梅燕琴.光電效應(yīng)的種類及應(yīng)用[J].中學(xué)物理：高中版，2011，29（12）：58-60.

[2] 魏安賜.外光電效應(yīng)的種類、條件和涵義[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（04）：3-5.

[3] 楊紹宗.關(guān)于光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的再探[J].物理教師，1995（06）：25.

[4] 霍連利，蒙上陽(yáng)，楊秀清.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析[J].物理實(shí)驗(yàn)，2001（02）：41-42.endprint