原创 光电效应·数码相机

        当一束光照射在一块金属或其他物体的表面时，物体的表面就有电子逸出，也就是说出现了电的现象。光电效应就是由光产生电的效应，也称作光生电子效应，或光生伏特效应。

[发现过程与发现者]

      光电效应（The Photoelectric Effect）现象是德国物理学家赫兹在一个论证电磁波的实验中偶然发现的。

Heinrich Hertz（ l857—1894）

        赫兹生于汉堡，早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教授亥姆霍兹指导下学习。1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授，直到逝世。赫兹最伟大的贡献是通过实验证实了电磁波的存在，为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。

        赫兹坚信，一切结论均来源于实验。1887年，赫兹在进行证明电磁波存在的火花实验时发现，当有紫光照射时，电火花便出现得容易一些。赫兹在论文里只是对这个现象进行了描述，但没有深究其中的原因。

        赫兹发现光电效应纯属意外，也可以说是上帝对他长期从事实验活动的奖赏吧。但是，赫兹英年早逝，最终也没有能够亲自解释自己的发现，实属遗憾。赫兹去世以后，他的助手勒纳德对光电现象继续进行实验研究，并且取得了重要进展。勒纳德发现，逸出电子的速度与光强无关，而只与光频率有关，并且存在一个频率下限，低于这个频率时，就不能发生光电效应。

        勒那德虽然发现了光电效应与照射的光的频率之间的关系，但没能解释清楚为什么会这样。1905年，在瑞士的伯尔尼专利局，一位26岁的小公务员，三等技师职称，留着一头乱蓬蓬头发的年轻人把他的眼光在光电效应的这个问题上停留了一下。这个年轻人的名字是阿尔波特·爱因斯坦，他发表了一篇名为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》（A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light）的文章，这篇文章在普朗克的能量量子化观点的基础上，提出了一个全新的理论——光量子论（爱因斯坦把组成辐射的能量子称为“光量子”，1926年之后被改称为“光子”）。光电子论可以很好地解释光电效应：当光照射在金属表面上时，只要光量子具有足够的能量，就会有电子逸出，这就是光电效应。

Albert Einstein（1879 - 1955）

        因为对光电效应现象做出了令人信服的解释，爱因斯坦荣获了1921年度诺贝尔物理学奖。可能有人以为爱因斯坦因为提出了著名的相对论，而获得了诺贝尔物理学奖。其实不然，虽然相对论当时已经提了出来，但当时科学界对相对论所具有的重大意义还不太了解。

       1912～1915年间，美国实验物理学家密立根利用复杂、精密的仪器和高真空中的样品，检验了爱因斯坦提出的光电效应公式。至此，光电效应的机理才算被人类完全弄清楚。

[原理]

        在光电效应现象被发现以前，对于光的性质有两种不同的解释，一种是以牛顿为代表的“微粒说”，另一种是惠更斯为代表的“波动说”。科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的论战。

        对于光电效应这样一个实验事实，光的波动说是无法解释的。光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，和光波的振幅即强度有关，而和光的频率即颜色无关，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却与此相反。

电光效应现象演示：当弧光灯发出的光束照射到锌板上时，验电器指针摆动。

        按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，能量为E = hn（其中E是能量，h是普朗克常数6.6×10^-34，n是频率）。譬如对于频率为10¹⁵的光，能量为6.6×10^-19焦耳。

电磁波谱（图中给出的数字为波长，频率是它的倒数）

       按照光量子的假说，光的频率越高，光量子的能量就越大。光量子的能量只要达到足够一定数值，就能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。紫光因为频率较高，光量子的能量足够大，所以能从金属表面打出电子来；而红光因为频率较低，光量子能量不足以克服原子核对电子的束缚力，所以不能打出电子来。

  [应用]

        某些金属具有产生光电效应的条件，此后人们又发现半导体材料也可以产生光电效应。在电子领域，有很多基于光电效应原理的电子器件，如光敏器件（光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管）、光电倍增管（摄影机，扫描仪）、太阳能电池等。

数码相机中光电传感器的构造，每一个像素都是一个独立的光电信号转换器。

CCD与CMOS两种传感器只是在信号传输方式上有所不同，CCD把捕获到电荷逐级偶合到镜头外侧进行电荷-电压转换，而CMOS则是将电荷就地转换成电压信号。

[知识链接]

1   东南大学_传感器技术_光电效应

2   新浪读书频道_上帝掷骰子吗？——量子物理史话

3  中国公众科技网_院士科普讲坛_沈学础_爱因斯坦与量子论

4  飞翔物理_首页_教学资源_物理学史_爱因斯坦的光量子理论