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'''光电效应'''（'''Photoelectric Effect'''）是指[[光束]]照射物体时会使其发射出[[电子]]的物理效应。发射出来的[[电子]]称为「光电子」。<ref name=Halliday>{{citation |last1=Halliday|first1=David|last2=Resnick|first2=Robert|last3=Walker|first3=Jerl|title = Fundamental of Physics|publisher = John Wiley and Sons, Inc.|location = USA|edition = 7th|isbn=0-471-23231-9|year=2005}}</ref>{{rp|1060-1063}}<ref name=Serway2013>{{cite book

|last1=Serway|first1=Raymond|last2=Jewett|first2=John

===十九世纪===

1887年，德国物理学者[[海因里希·赫兹]]做实验观察到光电效应、电磁波的发射与接收。在赫兹的发射器里有一个[[火花间隙]]（spark gap），可以藉著製造火花来生成与发射电磁波。在接收器里有一个线圈与一个火花间隙，每当线圈侦测到电磁波，火花间隙就会出现火花。由于火花不很明亮，为了更容易观察到火花，他将整个接收器置入一个不透明的盒子内。他注意到最大火花长度因此减小。为了釐清原因，他将盒子一部分一部分拆掉，发现位于接收器火花与发射器火花之间的不透明板造成了这屏蔽现象。假若改用[[玻璃]]来分隔，也会造成这屏蔽现象，而[[石英]]则不会。经过用石英[[棱镜]]按照波长将光波分解，仔细分析每个波长的光波所表现出的屏蔽行为，他发现是紫外线造成了光电效应。赫兹将这些实验结果发表于《[[物理年鑑]]》，他没有对该效应做进一步的研究。<ref>{{cite web

| last =Fowler

[[约翰·艾斯特]] （Johann elster）和[[汉斯·盖特尔]]（Hans Geitel），首先发展出第一个实用的[[真空管|光电真空管]]，能够用来量度辐照度。<ref name="BudWarner1998">{{cite book|author1=Robert Bud|author2=Deborah Jean Warner|title=Instruments of Science: An Historical Encyclopedia|year=1998|publisher=Science Museum, London, and National Museum of American History, Smithsonian Institution|isbn=978-0-8153-1561-2}}</ref>{{rp|458}}<ref name="Ref_e">Asimov, ''Asimov's Biographical Encyclopedia of Science and Technology'' 2nd Revised edition</ref>艾斯特和盖特尔将其用于研究光波照射到带电物体产生的效应，获得了巨大成果。他们将各种金属依光电效应放电能力从大到小顺序排列：[[铷]]、[[钾]]、钠钾[[合金]]、[[钠]]、[[锂]]、[[镁]]、[[铊]]、[[锌]]。对于[[铜]]、[[铂]]、[[铅]]、[[铁]]、[[镉]]、[[碳]]、[[汞]]，普通光波造成的光电效应很小，无法测量到任何效应。上述金属排列顺序与[[亚历山德罗·伏打]]的[[标准电极电势表|电化学排列]]相同，越具[[电负性|正电性]]的金属给出的光电效应越大。<ref name="Thomson"/>{{rp|63}}

当时研究「赫兹效应」的各种实验还伴随着「光电疲劳」的现象，让研究变得更加複杂。光电疲劳指的是从乾淨金属表面观察到的光电效应逐渐衰微的现象。根据霍尔伐克士的研究结果，在这现象里，[[臭氧]]扮演了很重要的角色。可是，其它因素，例如氧化、湿度、抛光模式等等，都必须纳入考量。<ref name="SmithsonianReport">{{cite book|authors=Smithsonian Institution. Board of Regents| title=Report of the Board of Regents　|url=http://books.google.com/books?id=ic0rAQAAIAAJ&pg=PA239|accessdate=22 August 2013|year=1914|publisher=The Institution}}</ref>{{rp|239}}

===二十世纪===

[[菲利普·莱纳德]]于1900年发现紫外线会促使气体发生电离作用。由于这效应广泛发生于好几公分宽区域的空气，并且製造出很多大颗的正离子与小颗的负离子，这现象很自然地被诠释为光电效应发生于在气体中的固体粒子或液体粒子，汤姆森就是如此诠释这现象。<ref name="SmithsonianReport" />1902年，[[菲利普·莱纳德|莱纳德]]又发佈了几个关于光电效应的重要实验结果。第一，藉著变化[[紫外光]]源与阴极之间的距离，他发现，从阴极发射的光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比。第二，使用不同的物质为阴极材料，可以显示出，每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大[[动能]]（最大速度），换句话说，光电子的最大动能与光波的光谱组成有关。<ref group="注">莱纳德必没有特别指出最大动能与光波频率的关系。1907年，[[艾利克·赖登柏]]（Erich Ladenburg）发现，入射光的频率越高，光电子的最大动能越大。</ref>第三，藉著调整阴极与阳极之间的电压差，他观察到，光电子的最大动能与[[光电效应#截止电压|截止电压]]成正比，与辐照度无关。<ref name="Dahl1997"/>{{rp|212-220}}

}}</ref>

1905年，爱因斯坦在论文《关于光的产生和转变的一个启发性观点》里，重新解释光电效应，他提出[[光量子|光量子假设]]，光束是由一群离散的能量粒子组成，称为[[光量子]]，而不是连续性波动。这光量子后来简称为[[光子]]。对于[[马克斯·普朗克]]先前在研究[[黑体辐射]]中所发现的[[普朗克关系式]]，爱因斯坦给出另一种诠释：频率为 <math>\nu</math> 的光量子拥有的能量为 <math>h\nu</math> ；其中，<math>h</math> 因子是[[普朗克常数]]。<ref group="注">1901年，[[马克斯·普朗克]]在研究[[黑体辐射]]中作出将电磁辐射能量量子化的假设，发现了[[普朗克关系式]] <math>E=h\nu</math>，将能量 <math>E</math> 与[[频率]] <math>\nu</math> 关联在一起。</ref><ref name=Millikan1916>{{cite journal|title=A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"| url=http://www.fisica.net/quantica/millikan_a_direct_photoelectric_determination_of_plancks_h.pdf| doi=10.1103/PhysRev.7.355 |volume= 7|pages=355–388|year=1916|last1=Millikan|first1=R.|journal=Physical Review|issue=3|bibcode = 1916PhRv....7..355M }}</ref>爱因斯坦认为，组成光束的每一个光量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。假若光量子的频率大于某[[#极限频率|极限频率]]，则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸（称为光电子），造成光电效应。爱因斯坦的论述解释了为甚麽光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。虽然光束的辐照度很微弱，只要频率足够高，必会产生一些高能量的光量子来促使束缚电子逃逸。儘管光束的辐照度很强劲，假若频率低于极限频率，则仍旧无法给出任何高能量的光量子来促使束缚电子逃逸。

爱因斯坦的论述极具想像力与说服力，但却遭遇到学术界强烈的抗拒，这是因为它与[[詹姆斯·马克士威]]所表述，而且经过严格理论检验、通过精密实验证明的光的波动理论相互矛盾，它无法解释光波的[[折射|折射性]]与[[相干性]]，更一般而言，它与物理系统的能量「无穷可分性假说」相互矛盾。甚至在实验证实爱因斯坦的光电效应方程式正确无误之后，强烈抗拒仍旧延续多年。爱因斯坦的发现开启了的量子物理的大门，爱因斯坦因为「对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现」荣获1921年[[诺贝尔物理学奖]]。<ref name="Ref_s">{{cite web|title = The Nobel Prize in Physics 1921|publisher = Nobel Foundation|url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/index.html|accessdate=2008-10-09}}</ref>

爱因斯坦的论文很快地引起美国物理学者[[罗伯特·密立根]]的注意，但他也不赞同爱因斯坦的理论。之后十年，他花费很多时间做实验研究光电效应。他发现，增加阴极的温度，光电子最大能量不会跟著增加。他又证实光电疲劳现象是因氧化作用所产生的杂质造成，假若能够将清洁乾淨的阴极保存于高真空内，就不会出现这种现象了。<ref name="Wheaton1991"/>{{rp|238}}1916年，他证实了爱因斯坦的理论正确无误，并且应用光电效应直接计算出普朗克常数。<ref name=Millikan1916>{{cite journal|title=A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"| url=http://www.fisica.net/quantica/millikan_a_direct_photoelectric_determination_of_plancks_h.pdf| doi=10.1103/PhysRev.7.355 |volume= 7|pages=355–388|year=1916|last1=Millikan|first1=R.|journal=Physical Review|issue=3|bibcode = 1916PhRv....7..355M }}</ref>密立根因为「关于[[基本电荷]]以及光电效应的工作」获颁1923年[[诺贝尔物理学奖]]。

==实验结果分析==

===截止电压===

从电压表与电流表读取的数值，可以绘得右边所示的曲线图。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 <math>V</math> 越大，使得发射极的[[电势]]越低于集电极的电势，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 <math>I</math> 跟著增大，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」 <math>I_s</math> ，再增加正电压也不会增加电流。<ref name=Halliday/>{{rp|1060}}

===极限频率===

对于某金属（例如锌金属）做实验，将测得的最大动能与光频率之间的关系数据绘成曲线图，如右图所示，则可察觉，不论入射光束的辐照度为何，光频率必须高过某最低频率，否则不会出现光电效应，这最低频率是这金属的特徵频率，称为「极限频率」，对应的波长称为「极限波长」。<ref name=Halliday/>{{rp|1060-1061}}

===光电倍增管===

{{main|光电倍增管}}

光电倍增管是一种极为灵敏的感光真空管，内部装置了一个[[光电阴极]] (photocathode)、几个[[倍增极]]（dynode）与一个[[阳极]]。位于真空管一端窗口的光电阴极是具有特别低逸出功性质的沉积薄膜，每当光子穿过窗口入射于光电阴极时，会因光电效应很容易地发射出光电子。藉著一系列电势越来越高的倍增极，光电子会被加速，并且通过二次发射，电子数量会急遽增多，在阳极形成可侦测的电流。光电倍增管常用于侦测辐照度非常微弱的光束，是功能优良的测量仪器。<ref name="Ref_Timothy">{{cite book

| last =Tavernier

===金箔验电器===

金箔验电器可以用来侦测[[静电]]。置放于金属顶帽的电荷会移动至金属杆与金箔。由于同性相斥，金属杆与金箔会互相排斥，因此，金箔的下端会与金属杆分开，从两者分开的程度，可以估量电性大小。

===光电子能谱学===

*样品通常为固体，因为整个系统处于[[真空|超高真空]]（<10^-8 torr）。

*聚焦的X射线能量约为1.5keV。

== 参见 ==

电子学：

*[[光电倍增管]]

== 外部链接 ==

*Nave, R., "''[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html Wave-Particle Duality]''". HyperPhysics.

*{{En}} "''[http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/kap28/PhotoEffect/photo.htm Applet: Photo Effect]''". Open Source Distributed Learning Content Management and Assessment System. ([[Java]])

{{Authority control}}