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光电管|光电管原理|光电管工作原理图

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光电管与光电效应

光电管的介绍,属于高中物理选修3-5波粒二象性的内容,属于光电效应这一节。我们首先来复习下光电效应的概念。

在光的照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而离开该物质的表面,持续的光照射,就会产生电流(电子移动产生的),具体如下图所示。

从能量转化的角度来看,这是一个光生电的过程(发电过程),是光能转化为电能的过程。

光电效应

光电效应最早由德国物理学家赫兹于1887年发现,但这一现象在当时很长一段时间内不能被解释清楚。光电效应正确的解释由爱因斯坦提出,具体见这篇文章的详细介绍。

光电管

光电管是基于光电效应的一种光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。

市场上的光电管,大致可分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空,在内半球面上涂一层光电材料作为阴极,球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离,可增加光电管的灵敏度。

用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等,可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损,是一种较为原始的光电设备(就犹如老式的显像管电视机一样),目前基本上已被固体光电器件所代替。

光电管原理及光电管工作原理图

光电管原理

前文已经提及,光电管工作原理是光电效应,是光照射某物质,该物质的电子俘获能量后克服原子核的束缚,逃逸出来(形成电流)。因为我们是高中物理网,因此这里的介绍是基于高中物理选修3-5波粒二象性教材的。

光电管工作原理图如上图所示,某种单色光照射金属K,金属K表面的电子俘获能量后可以克服原子核的束缚(逸出功),并有一部分能量富裕,这就是电子的动能。

电子如图所示,从K表面激发出来后,向A极运动。这样,A极有大量的负电荷带负电,而K极失去了电子带正电。

如果将K极与A极连接,串联一个灵敏电流计(图中G表),那么电流计就有示数。这就是光电管原理解释。光电效应与光电管都不好理解,建议同学们借助王尚老师物理自诊断配套的视频来学习。

光电管电压

该部分光电管的电压分析(能量分析)以及下方截止电压部分,与上面光电管原理是一致的,是更进一步从能量守恒角度解析光电管的工作原理。

光电效应基本公式我们已经学过,是

hv=W+Ek;(1)

其中,h为普朗克常量,v为光的频率,W为逸出功,Ek为电子的动能。

光电管的能量转化,根据功能关系可有:

eU=Ek;(2)

其中,e为电子的电荷量,U为光电管K极与A极间的电压。

光电管电压测量(截止电压)

如下图所示的电路图,当我们在光电管电路的基础上,加上一个电源与滑动变阻器,便可以制造一个截止电压。

光电管工作原理示意图

截止电压是这样的:设置上图的滑动变阻器的P的位置,使得电流计G示数为零。

电流为零,这说明电压为零,即外界电源产生的电压与原来光电管产生的电压抵消了。此时,上图中电压表V所测的外在电源的电压,叫做截止电压。

显然,利用所测量的截止电压,并借助上述公式(2)可以反推Ek,再借助上述公式(1)可以求解K金属的逸出功。

光电管的能量转化

光电管从能量角度来看,是利用光能产生电能的过程。具体见上方解释。王尚新书《物理自诊断》每道题都有视频讲解,哪道题不会扫题旁二维码即可看视频,学习更高效,考试分数更高。欢迎微信(teacherws)咨询。 

补充几个学生的问题,如下:

什么是光电子?

王尚老师:顾名思义,光电子就是光激发出来的电子。具体定义如下:

光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化:该物质的电子俘获能量后克服原子核的束缚,逃逸出来(形成电流)。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子。

课本上光电管是来干嘛的?

王尚老师:咱们教材课本讲解光电管,从前后逻辑关系来看,其目的有两个:

其一,通过截止电压的测量,来求解金属的逸出功。

其二,进一步验证光电效应方程的准确性,为波粒二象性理论做论证案例。

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