1樓：匿名使用者
太陽的光輝普照大地，它是明亮的使者，太陽的光除了照亮世界，使植物通過光合作用把太陽光轉變為各種養分，供人們食用，產生纖維質供人們做衣服，生長木材給我們建築房屋以外，太陽的光還可以通過太陽能電池轉變為電．太陽能電池是一種近年發展起來的新型的電池．太陽能電池是利用光電轉換原理使太陽的輻射光通過半導體物質轉變為電能的一種器件，這種光電轉換過程通常叫做「光生伏打效應」，因此太陽能電池又稱為「光伏電池」，用於太陽能電池的半導體材料是一種介於導體和絕緣體之間的特殊物質，和任何物質的原子一樣，半導體的原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，半導體矽原子的外層有4個電子，按固定軌道圍繞原子核轉動．當受到外來能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而成為自由電子，並在原來的位置上留下一個「空穴」，在純淨的矽晶體中，自由電子和空穴的數目是相等的．如果在矽晶體中摻入硼、鎵等元素，由於這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導體，通常用符號p表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號n代表．若把這兩種半導體結合，交介面便形成一個p－n結．太陽能電池的奧妙就在這個「結」上，p－n結就像一堵牆，阻礙著電子和空穴的移動．當太陽能電池受到陽光照射時，電子接受光能，向n型區移動，使n型區帶負電，同時空穴向p型區移動，使p型區帶正電．這樣，在p－n結兩端便產生了電動勢，也就是通常所說的電壓．這種現象就是上面所說的「光生伏打效應」．如果這時分別在p型層和n型層焊上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯、並聯起來，就能產生一定的電壓和電流，輸出功率．製造太陽電池的半導體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多．目前，技術最成熟，並具有商業價值的太陽電池要算矽太陽電池．
2023年美國貝爾研究所首先應用這個原理試製成功矽太陽電池，獲得6%光電轉換效率的成果．太陽能電池的出現，好比一道曙光，尤其是航天領域的科學家，對它更是注目．這是由於當時宇宙空間技術的發展，人造地球衛星上天，衛星和宇宙飛船上的電子儀器和裝置，需要足夠的持續不斷的電能，而且要求重量輕，壽命長，使用方便，能承受各種衝擊、振動的影響．太陽能電池完全滿足這些要求，2023年，美國的「先鋒一號」人造衛星就是用了太陽能電池作為電源，成為世界上第一個用太陽能供電的衛星，空間電源的需求使太陽電池作為尖端技術，身價百倍．現在，各式各樣的衛星和空間飛行器上都裝上了佈滿太陽能電池的「翅膀」，使它們能夠在太空中長久遨遊．我國2023年開始進行太陽能電池的研製工作，並於2023年將研製的太陽能電池用在了發射的第二顆衛星上．以太陽能電池作為電源可以使衛星安全工作達20年之久，而化學電池只能連續工作幾天．
空間應用範圍有限，當時太陽電池造價昂貴，發展受到限．70年代初，世界石油危機促進了新能源的開發，開始將太陽電池轉向地面應用，技術不斷進步，光電轉換效率提高，成本大幅度下降．時至今日，光電轉換已展示出廣闊的應用前景．
太陽能電池近年也被人們用於生產、生活的許多領域．從2023年世界上第一架太陽能電池飛機在美國首次試飛成功以來，激起人們對太陽能飛機研究的熱潮，太陽能飛機從此飛速地發展起來，只用了六七年時間太陽能飛機從飛行幾分鐘，航程幾公里發展到飛越英吉利海峽．現在，最先進的太陽能飛機，飛行高度可達2萬多米，航程超過4000公里．另外，太陽能汽車也發展很快．
在建造太陽能電池發電站上，許多國家也取得了較大進展．2023年，美國阿爾康公司研製的太陽能電池發電站，用108個太陽板，256個光電池模組，年發電能力300萬度．德國2023年建造的小型太陽能電站，光電轉換率可達30％多，適於為家庭和團體供電．2023年美國加州公用局又開始研製一種「革命性的太陽能發電裝置」，預計可供加州1／3的用電量．用太陽能電池發電確實是一種誘人的方式，據專家測算，如果能把撒哈拉沙漠太陽輻射能的1％收集起來，足夠全世界的所有能源消耗．
在生產和生活中，太陽能電池已在一些國家得到了廣泛應用，在遠離輸電線路的地方，使用太陽能電池給電器供電是節約能源降低成本的好辦法．芬蘭製成了一種用太陽能電池供電的彩色電視機，太陽能電池板就裝在住家的房頂上，還配有蓄電池，保證電視機的連續供電，既節省了電能又安全可靠．日本則側重把太陽能電池應用於汽車的自動換氣裝置、空調裝置等民用工業．我國的一些電視差轉檯也已用太陽能電池為電源，投資省，使用方便，很受歡迎．
當前，太陽能電池的開發應用已逐步走向商業化、產業化；小功率小面積的太陽能電池在一些國家已大批量生產，並得到廣泛應用；同時人們正在開發光電轉換率高、成本低的太陽能電池；可以預見，太陽能電池很有可能成為替代煤和石油的重要能源之一，在人們的生產、生活中佔有越來越重要的位置．
光電效應與康普頓效應
我們已明確指出光的本質是電磁波，它具有波動的性質．但近代物理又證明，光除了具有波動性之外還具有另一方面的性質，即粒子性．至於光具有粒子性，最好的例證就是著名的「光電效應」和「康普頓效應」．由於光電效應與康普頓效應研究的都是光子與電子之間的相互作用，這就使有些人自然產生一個疑問：既然研究的物件相同，那麼，為什麼有時討論光電效應，有時又討論康普頓效應呢？到底兩種效應有什麼區別？
有什麼聯絡呢？下面我們就從光電效應的物理本質及規律，康普頓效應的物理本質及規律，光電效應與康普頓效應的關係這三個方面來回答這些問題．
1、光電效應的物理本質及規律
在麥克斯韋預言了電磁波的存在以後，為了證實電磁波的存在，德國物理學家赫茲於2023年首先發現用紫外光照射放電火花隙的負電極時，會使放電更易產生．爾後，其他物理學家都繼續對此進行了研究，發現用紫外光以及波長更短的x光照射一些金屬，同樣觀察到金屬表面有電子逸出的現象．於是，物理學家就把在光（包括不可見光）的照射下金屬表面逸出電子的現象稱為光電效應．所逸出的電子叫光電子，這一名字僅為了表示它是由於光的照射而從金屬表面飛出的這一事實．事實上它與通常的電子毫無區別．光電子的定向運動所形成的電流叫做光電流．光電效應的規律可歸納為以下幾點：
（1）飽和光電流與入射光的強度成正比，即單位時間內受光照射的電極（金屬）上釋放出來的電子數目與入射光的強度成正比．
（2）光電子的最大初動能（或遏止電壓）隨入射光的頻率線性地增加而與入射光的強度無關．
（3）當光照射某一金屬時，無論光的強度如何，照射時間多長，若入射光的頻率小於某一極限頻率，則都沒有光電子逸出，即不發生光電效應．
（4）只要光的頻率超過某一極限頻率，受光照射的金屬表面立即就會選出光電子，其時間間隔不超過 秒，幾乎是瞬時的，與入射光的強度無關．
在解釋上述光電效應的規律時，經典的波動理論遇到了不可克服的困難．為此，偉大的物理學大師——愛因斯坦於2023年提出了一個非凡的光量子假設．他認為光也具有粒子性，這些光粒子稱為光量子，簡稱光子．每個光子的能量是 ，h是普朗克常數， 是光的頻率．
按照光子假設，當光射到金屬表面時，金屬中的電子把光子的能量全部吸收，電子把這部分能量作兩種用途，一部分用來掙脫金屬對它的束縛，即用作逸出功w，餘下一部分轉換成電子離開金屬表面後的初動能 ．按能量守恆與轉換定律，應有：
這就是有名的愛因斯坦光電效應方程．
利用愛因斯坦光電效應方程能圓滿地解釋光電效應諸規律．
首先，根據光子假設，入射光的強度（即單位時間內通過單位垂直面積的光能）決定於單位時間裡通過單位垂直面積的光子數．當入射光的強度增加時，單位時間裡通過金屬表面的光子數也就增多，於是，光子與金屬中的電子碰撞次數也增多，因而單位時間裡從金屬表面逸出的光電子也增多，這些逸出的光電子全部到達陽極便形成所謂的飽和電流．所以，飽和電流與入射光強度成正比．
其次，由愛因斯坦光電效應方程可知，對於一定的金屬而言，因逸出功w一定，故光電子的最大初動 能隨入射光頻率 成線性關係而與光強度無關．
第三，由愛因斯坦光電效應方程可見，如果入射光的頻率過低，以至於 ，那麼，金屬表面就根本不會有光電子逸出，儘管是入射光強度很大．顯然，只有當入射光的頻率 時，才會有光電流出現．事實上，這裡的就是光電效應規律中所說的極限頻率，又名「紅限」，各種金屬的紅限各不相同．
第四，當光子與金屬中的電子相互作用時，電子能夠一次性全部吸收掉光子的能量，因而光電效應的產生無需積累能量的時間，幾乎是一觸即發．
2、康普頓效應的物理本質及規律
一般的光散射知識告訴我們，只有當光通過光學性質不均勻的媒質時，光散射現象才會發生．但是實驗發現，當波長很短的光（電磁波），如x射線、 射線等通過不含雜質的均勻媒質時，也會產生散射現象，且一反常態，在散射光中除有與原波長 相同的射線外，還有比原波長 大的射線（ ）出現．這現象首先由美國物理學家康普頓於1922～2023年間發現，並作出理論解釋，故稱康普頓效應，亦稱康普頓散射．
康普頓效應的規律可歸納成如下幾點：
（1）康普頓效應中波長的改變 與原入射光波長 和散射物質無關，而與散射方向有關．當散射角（散射線與入射線之間的夾角）增大時， 也隨之增大．
（2）康普頓效應隨散射物質原子量的增大而減弱．
經典波動理論同樣解釋不了上述康普頓效應的規律．為此，康普頓接受了愛因斯坦的光子假設，認為康普頓效應是由於光子與散射物質中的電子作彈性碰撞的結果．在輕原子中，原子核對電子的束縛較弱，電子的電離能只有幾個電子伏特，遠小於x光光子的能量（ 電子伏特），故在兩者碰撞過程中，可把電子看作是靜止且自由的．具體分析如下：設電子的靜止質量為 ，碰撞前，電子的能量為 ，動量為零；x光光子的能量為 ，動量為 ，碰撞後，電子獲得速度為v，能量為 ，動量為mv，x光光子的能量變為 ，動量變為 ，散射角為 ，如圖所示．碰撞過程因能量、動量都守恆，故有：
（1）（2）
根據相對論，式中電子靜止質量 與運動質量m的關係為：
（3）將（1）式移項平方得：
（2）式乘 得：
以上兩式相減得：
將（3）式兩邊平方後代入上式，得：
或：由於 ，代入上式得：
（4）式中：
（米）是一個常數，叫康普頓波長，若以 表示之，則（4）式可寫成：
（4′）
（4′）式常稱為康普頓公式．從公式的推導過程可見，在康普頓效應中，發生波長改變的原因是：當x光的光子與「自由電子」碰撞後，光子將沿某一方向（ 角）散射．同時，碰撞過程中把一部分能量傳遞給「自由電子」，這樣，散射光子的能量就小於入射光子的能量．因為光子能量與頻率成正比，所以散射光的波長就大於入射光的波長．
另外，原子中內層的電子一般都被原子核束縛得很緊密，特別是重原子中．光子與這些束縛電子碰撞，實際上是與整個原子碰撞，由於原子的質量比電子大得多，根據康普頓公式計算的波長改變數小得幾乎測不出．原子序數愈大，內層電子愈多，與原子核結合而成的原子也愈重，波長不改變的成分也愈多，即康普頓效應愈弱．
3、光電效應與康普頓效應的關係
光電效應與康普頓效應在物理本質上是相同的，它們研究的物件不是整個入射光束與散射物質，而是光束中的個別光子與散射物質中的個別電子之間的相互作用．與兩種效應相對應的愛因斯坦方程和康普頓公式都建立在光子假設基礎上．光電效應主要是產生光電子，而康普頓效應主要是產生波長改變的散射光，但也向電子傳遞動量．研究光電效應和康普頓效應時都用到了能量守恆定律．
光電效應與康普頓效應的主要差別首先表現在入射光波的波長不同．原則上，任何波長的光和電子碰撞後都能發生康普頓效應．但是，對於可見光和紅外光，效應中波長的相對改變太小不易觀察．如波長為4000埃的紫光，在散射角 時，其波長的改變 埃，則．然而，對波長 埃的x光，則 ，波長更短的 光，相對改變將達百分之百！所以，就一般而言，產生光電效應的光主要是可見光和紫外光，而產
生康普頓效應的光主要是波長很短的x射線和 射線等．
其次，在康普頓效應中，與入射光子相互作用的個別電子是作為「自由電子」身分出現的，考慮的是光子與自由電子的彈性碰撞，在此過程中，不僅能量守恆而且動量也守恆．實際上，只有在電子和原子核（實為原子實）之間的束縛能量遠小於光子能量時才正確．而在光電效應中，與入射光子相互作用的個別電子並沒有看作「自由電子」，而是以一種束縛態出現的．按理，我們必須同時考慮光子、電子和原子實三者的能量和動量變化．但是，由於原子實的質量比電子的質量大幾千倍以上，因此，原子實的能量變化很小，可以略去不計．愛因斯坦方程只表示出光子和電子之間的能量守恆而沒有相應的光子和電子的動量守恆關係式就是由於這個緣故．
由此可得結論：當光子從光子源發出，射入散射物質（一般指金屬）時，主要是與電子發生作用．如果光子的能量相當低（與電子束縛能同數量級），則主要產生光電效應，原子吸收光子而產生電離．如果光子的能量相當大（遠超過電子的束縛能）時，則我們可以認為光子對自由電子發生散射，而產生康普頓效應．更為有趣的是，當光子的能量大於一個兆電子伏特時，還能出現電子對效應（物質吸收光子後發射一對正、負電子的現象）．
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