毕业设计定稿（论文）朱玲 - 图文

（2011届）

本科毕业设计（论文）资料

题 目 名 称： 光电效应及其应用 学 院（部）： 理学院 专 业： 应用物理学 学 生 姓 名： 朱 玲 班 级： 07-1 学号 06411200113 指导教师姓名： 方见树 职称 教授 最终评定成绩：

湖南工业大学教务处

2011届

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第一部分 毕业论文

（2011届） 本科毕业设计（论文）

光电效应及其应用

学 院（部）： 理学院 专 业： 应用物理学 学 生 姓 名： 朱 玲 班 级： 07-1 学号 06411200113 指导教师名字： 方见树 职称 教授 最终评定成绩：

2011年6月

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摘 要

光电效应是指在某种频率的光照下，金属物体中有电子脱出其表面的现象。光电效应可分外光电效应和内光电效应，而内光电效应又分为光电导效应和光伏特效应两种。利用光电效应理论制作的各种电子器件有力的推动了社会的发展，如利用光电效应制造的光电倍增管、光敏电阻等，已被广泛应用于电子行业、传感技术等应用领域；基于光伏特效应的光伏电池也为有效合理利用太阳能提供了理想的途径。不仅如此，光电效应还广泛用于农业灭虫、诊断医学、军事、生活等多个领域。

本文简要介绍了光电效应的发展历程;讨论和研究了光电效应的概念、基本原理与基本规律，运用爱因斯坦光电方程对光电效应规律进行了解释，并简单介绍了提高光电转换效率的方法，以及讨论了如何提高光电效应的有效利用等。

关键词：光电效应，爱因斯坦方程，应用

I

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ABSTRACT

The photoelectric effect in certain frequencies refers to the sunlight, metal objects in its surface phenomenon of electronic emerge. Photoelectric effect can be particularly photoelectric effect and inside of the photoelectric effect, and the photoelectric effect and divided into light conductance effect and light volts effect two kinds. Using the theory of the photoelectric effect of various electronic devices made strong promoted the development of the society, such as using photoelectric effect manufacturing photomultiplier tubes, photosensitive resistor etc, has been widely used in the electronics industry, the sensing technology application domain; Based on light volts effect of photovoltaic cells also for effective and reasonable use solar provides an ideal way. Not only such, photoelectric effect also widely used in agriculture an extermination, diagnostic medicine, military, life etc.

This paper briefly introduces the development course of the photoelectric effect; The discussion and research of the photoelectric effect concept, basic principle and basic rule, use Einstein photoelectric equations of the photoelectric effect rule explained, and briefly introduces the methods of improving photoelectric conversion efficiency, and discusses how to improve the effective use of the photoelectric effect.

Keywords: Photoelectric effect ，Einstein equation，applications

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目 录

第1章 绪论 ·················································································· 1

1.1 光电效应的发展历史 ·························································································· 1 1.2 光电效应的应用概况 ·························································································· 4 1.3 本文的主要工作内容 ·························································································· 4

第2章 光电效应 ··········································································· 5

2.1 与光电效应相关的基础知识 ············································································ 5 2.1.1光的产生机制 ······························································································· 5 2.1.2 光的波粒二象性 ·························································································· 6 2.2 光电效应的基本概念 ························································································ 7 2.2.1外光电效应 ····································································································· 7 2.2.2内光电效应 ····································································································· 8 2.3 光电效应实验 ······································································································ 9 2.3.1 实验装置 ········································································································ 9 2.3.2 实验规律 ······································································································ 10 2.4 爱因斯坦的光量子说 ························································································· 11 2.4.1光电方程 ········································································································ 11 2.4.2光电效应的量子解释 ···················································································· 11 2.5 提高光电效应的途径 ························································································ 13

第3章 光电效应的应用 ······························································· 14

3.1 外光电效应的应用 ···························································································· 14 3.2 内光电效应的应用 ···························································································· 15 3.2.1光电导效应的应用 ······················································································· 15 3.2.2光伏特效应的应用 ······················································································· 16 3.3 光电效应的应用领域 ························································································ 17 3.3.1在工业生产中的应用 ··················································································· 17 3.3.2在农业中的应用 ··························································································· 17 3.3.3在放射医学中的应用 ··················································································· 18 3.3.4在军事中的应用 ··························································································· 19

III

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3.3.5其它应用 ··········································································································· 20 3.4 光电效应应用前景与展望 ······················································································ 20

结论 ······························································································· 22 参考文献 ······················································································· 23 致谢 ······························································································· 24

IV

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第1章 绪论

1.1光电效应的发展历史

1885年，赫兹用如图1.1所示的装置证实了电磁波的存在。实验中电磁波发生器是在两根铜棒上各焊一个磨光的黄铜球，另一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈两端连接，构成了LC电路，感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路间隔一定距离放置一电磁波接收器，它是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这个接收器实际上也是一个LC电路．调节间隙改变接收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的空隙间观察到电火花。

图1.1 电火花实验装置

感应圈 发射

接收

利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验，大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时，原来接收间隙的火花变暗，而用其它任何火花的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电火花，进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子到另一极铜球所形成，赫兹称之为“紫外光放电效应”，也就是光电效应。赫兹的论文《紫外光对放电的影响》发表在１８８７年《物理学年鉴》上。该论文详细地描述了他的发现。

赫兹的发现吸引了许多人去做这方面的研究工作[1]，1889年，哈耳瓦克做了一系列实验，他用碳弧照射绝缘的锌板，锌板连接到验电器上，他发现:如果锌板原来带负电，经照射会迅速失去电荷；如果锌板原来带正电，经照射仍保持不变。在碳弧前面用一块玻璃隔开，现象消失，说明起作用的确实是紫外光，从锌板放出的肯定是负电

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荷。俄国的斯托列托夫（1836----1896）对光电效应也进行了研究，并取得了重要成果。他发现：为了产生光电流，光必须被电极吸收；光电流的大小与入射光的强度成正比；光电流实际上是在照射开始时立即产生，无需时间上的积累。

在光电效应的研究过程中，做出重要贡献的是德国物理学家、赫兹的助手勒纳德。他早在1889年就开始做一些简单的光电效应实验，起先他设想光电效应是阴极射线引起的，但1894年他的实验证明这一想法不符合事实。1899年，J.J.汤姆逊用磁偏切断电流的方法测定光电流的荷质比，肯定光电流与阴极射线都是同一类带电粒子组成，勒纳德随即于1900年也用磁偏转法测定光电流的荷质比得到同样的结果。其实验装置如图1.2所示，当入射光照到清洁的金属表面（阴极K）就有电子发射出来，若有些电子射到到阳极A上，外电路上就有电流通过。阳极相对于阴极的电势可正可负，以使到达阳极的电子数增加或减少。

图1.2 磁偏转法实验装置 图1.3不同强度下电流与电压的关系

图1.3表示两种强度不同的入射光照射到阴极K上，测得的电流与电压的关系曲线。当阳极A电势高于阴极K时，电子被吸引到阳极上，当电压值U足够大时，K极上所有发射出的电子全部到达阳极，因而电流达到它的最大值。勒纳德观测到此最大的饱和电流与入射光强度成正比，他并且创造了一种实验方法,用加反向电压的方法来测电子的最大速度，从而得到反向电压（又称遏止电压）与入射光光强无关，即电子离开金属极板的最大速度与光强无关。从图1.3看出，不同光强的遏止电压均为（-U0）这结论与经典理论显然相矛盾。

勒纳德用不同材料做阴极，用不同光源照射，发现都对遏止电压有影响，唯独改变光的强度对遏止电压没有影响。电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，这就是勒纳德的新发现。。

和经典理论有抵触的实验事实还不止此，在勒纳德之前，人们已经遇到了其他的矛盾，如：1）光的频率低于某一临界值时，不论光有多强，也不会产生光电流，可

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是根据经典理论，应该没有频率限制。2）光照到金属表面，光电流立即就会产生，可是根据经典理论，能量总要有一个积累过程。

本来，这些矛盾正是揭露了经典理论的不足，可是，勒纳德却煞费苦心地想出了一个补救办法，企图在不违反经典理论的前提下，对上述事实作出解释。他在1902年提出触发假说，假设在电子的发射过程中，光只起触发作用，电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照到原子上，只要光的频率与电子本身的振动频率一致，就发生共振，所以光只起打开闸门的作用，闸门一旦打开，电子就以其自身的速度从原子内部逸走。他认为，原子里电子的振动频率是特定的，只有频率合适的光才能起触发作用。他还建议，由此也许可以了解原子内部的结构。勒纳德的触发假说很容易被人们接受，当时颇有影响。

与勒纳德的观点不同，1905年，爱因斯坦在著名论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并应用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。

爱因斯坦在他的论文中，总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，揭示了经典理论的困境，提出只要把光的能量看成不是连续分布，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解释。他写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线（即光电效应），以及其它有关光的产生和转化的现象的各种观测结果。根据这一假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的能量子所组成。这些能量子在运动中不再分散，只能整个地被吸收或产生。”

爱因斯坦的光量子假设和光电方程完全能够解释光电效应中的各种现象，但并没有立即得到人们的承认，直到1916年，密立根的精确实验才完全证实了爱因斯坦的

光电方程。

图1.4 密立根证明光电方程的实验装置

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1.2光电效应的应用概况

如今光电效应的应用已遍布社会的多个领域。直接的应用主要体现在利用光电效

应制作的各种光电子器件。利用外光电效应制做的电子器件有真空光电管和充气光电管。它们曾在自动控制和检测中显露辉煌，虽然现代多为小巧的半导体光电二极管和三极管所取代，但由真空二极管衍生出来的光电倍增管（PMT）却始终是将弱光信号转变成电信号不可或缺的传感器，广泛使用在众多高新探测技术中。光电导效应的应用主要体现在光电导材料的应用上。光电导材料是一种灵敏、快速的光电器件。通过它,能灵敏、快速地将接受到的光信号转换成对应的电信号,广泛地应用于国民经济、军事、科学技术等各个部门和社会生活的方方面面,特别是现代高新技术之中。基于光电导效应原理的探测器有光电导探测器，而且光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探测器，光纤探测器与传统探测器相比,具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻等一系列优点。光伏特效应的应用主要体现在光伏电池上。如今化石燃料存量日渐减少，并且燃烧化石燃料存在污染等不利影响，相反太阳能储量丰富且基本无污染等副作用，而光伏电池正是将太阳能转化成可用能量的有效手段，在能源日益缺乏未来光伏电池必有更大的发展空间。

1.3本文主要工作内容

本文对光电效应的基本概念、基本原理以及光电效应的具体应用进行了研究和讨论，其主要工作如下：

第一章,讲述了光电效应的发展历史和光电效应在现代社会中应用的概况。 第二章,首先介绍了与光电效应有关的光学理论知识，为讨论光电效应做准备。接着分析了研究光电效应原理，讨论了光电方程，从量子层面上解释光电效应，并探讨提高光电效应的方法。

第三章,讨论光电效应在社会中的应用情况。

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第2章 光电效应

2.1与光电效应相关的基础知识

2.1.1光的产生机制

根据原子的核式模型理论，原子是由一个带正电荷的原子核和一个或若干个负电荷的电子组成，原子核所带的正电量与各个电子所带的负电量之和相等，整个原子成电中性。电子总是围绕着原子核不停的运动，电子分别分布于不同的能级，有着自己的运动状态和能量，不同能级的电子间在不同的条件下，会发生跃迁，发生跃迁的电子会伴随着运动状态和能量的改变，同时会向外辐射能量，如果发生跃迁的两个能级之间能量相差较小，则辐射的能量是以热的形式放出；如果两个能级之间能量较大，则辐射的能量是以光子的形式放出，激光的产生就是后一种情况。 图2.1是能级跃迁图，箭头表示能级之间发生跃迁。

5 4 E2E111 10 9 8 7 6 3 2 1 图2.1 能级跃迁

E0

其中E0为基态能级，其它能级E1、E2、E3按能量从低到高排列，能级越高距离原子核越远。按照爱因斯坦理论，能级之间的跃迁有两种方式：自发和受激辐射。在自发辐射的过程中，电子只能从高能级向低能级进行跃迁，只发生1、2、3、4、5的跃迁，在发生跃迁的同时高能级的电子会辐射一部份能量达到低能级，辐射的能量可以用以下公式表示：

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hv?Em?En， (Em?En,m?n)

(2.1)

取m=1、2、3 ，n=0、1、2代入到上式即可以得到各能级之间发上跃迁时辐射出来的能量hv。在受激辐射发生跃迁过程中，图中所有的跃迁都有可能出现，其跃迁的方式有两种，一种是在外场频率为v能量子（如光子）的作用下，电子吸收能量hv后由低能级向高能级跃迁，并向外辐射频率为v0的能量，可以用以下公式表示：

hv0?(hv?En)?Em， (Em?En,m?n) (2.2)

其中m= 1、2、3 ，n=0、1、2代入上式即可以得到相应能级之间辐射出来的能量。

另一种是在外场频率为v能量子（如光子）的作用下，电子由高能级向低能级跃迁，并向外辐射频率为v0的能量，其关系为：

hv0?(hv?Em)?En， (Em?En,m?n) (2.3)

能级跃迁辐射出来的能量会以热量或光两种形式放出。以光的形式放出出来的能量，会根据能量的大小辐射出频率不一样的光，即光波长不一样的光，如太阳光就是不同频率的光的集合。

2.1.2 光的波粒二象性

光的波粒二象性表明，光具有波动性质，被认为是一种波长很短的电磁波；同时光又具有量子性质，被认为是一种做高速运动的光子流[2]。其实光波与光子是对立统一的。作为波动，光具有频率v和波长?；作为粒子，光又具有能量E和动量p。实际上波动和粒子之间也存在着共性—都具有速度和能量。按照爱因斯坦假说，一个光子的能量Ep和动量pp可以用波动性参数分别表示为：

(2.4) Ep?hv

hvhp?? (2.5) pc?上式表明，光的波动性与粒子性具有某种内在的联系，这个联系的纽带就是普朗克常数h。

实际上，按照爱因斯坦的相对论质能关系，认为光子是具有动质量的，可以将光子在真空中的能量Ep和动量pp分别表示为

Ep?mpc2 (2.6)

pp?mpc (2.7) 式中mp表示光子的质量。将式（2.6）或（2.7）与式（2.4）或（2.5）联系起来，

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可得

h mp?2v (2.8)

c显然，如果我们将质量看成粒子性的主要象征，频率看成是波动性的主要象征，则联系光的波动性和粒子性的重要角色就是普朗克常数h和真空中的光速c。不过要说明的是，与实物粒子不同，根据相对论，光子的静止质量等于0.因此，这里的mp表示光子的动质量。

由上面的讨论可以得出如下结论：光是客观世界中的一种特殊客体，这种客体，同时具有波粒二象性。一般地，研究光在空间的传播行为以及相关问题时，其波动特性占主导地位，可以说光是一种电磁波动，并且可以用经典的电磁理论来解决所有有关的光学问题；研究光的发射以及光与物质相互作用等问题时，其粒子特性占主导地位，又可以说光是一种粒子—光子，此时需要用量子理论来解决相关的光学问题。此外还有一些光学现象，既可以用经典的电磁理论加以解析，又可以用量子理论加以解析，这就要看哪一种方法更简便或更严格。

2.2、光电效应的概念

光电效应现象是指某些材料中的电子在的光场的作用下变成自由电子而从材料表面溢出的现象。根据自由电子形成的特点可分为外光电效应和内光电效应。

2.2.1外光电效应

外光电效应也称光电发射效应。它是指物体（如金属）表面上受光照射有电子逸出的现象。金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，会使电子从材料表面逸出。一般来说光电发射大致可分三个过程：1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出，如图2.2所示。

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电子 光子hv 电子动能 1mv2?hv?A 2金属表面 金属材料 图2.2外光电效应

在图2.2中：带有能量hv的光子照射到金属表面的时候，金属表面的电子克服原

1子核的束缚，脱离金属表面并且带有mv2?hv?A的动能。

22.2.2内光电效应

所谓内光电效应是指某些晶体或半导体材料内的束缚电子受光的激发而成为自由电子，并在材料内部形成导电的载流子的现象（见图2.3）。若这些载流子引起材料的电导率显著变化，则称为光电导效应；若这些载流子的运动造成电荷积累，使得材料的某两个端面之间产生一定的电位差，则称为光伏特效应，受光的作用而获得的自由的电子称为光电子，光电子或光生载流子在电场的作用下的定向流动称为光电流。

空穴 电子 光束 上电极 内建电场Ei p? N?p-n结 Eph 图2.3内光电效应 下电极

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在图2.3中：当光束照射到半导体上面时，则在半导体内部产生大量的处于非平衡状态的电子-空穴对，其中的光生非平衡少数载流子（即N?区中的非平衡空穴和p?区中的非平衡电子）可以被内建电场Ei牵引到对方区域，然后在p-n结中形成光生电场Eph，当接通外电路，即可流出电流，有电能输出。

2.3光电效应实验

2.3.1 实验装置

光电效应的试验装置有许多，图2.4是研究光电效应实验中一个典型的装置示意图。光电阴极K和阳极A密封于高真空容器内，容器上部开一个石英玻璃小窗（石英即水晶，能透过紫外线），从而构成一个光电管。光束经小窗进入光电管并照射在光阴极K上，逸出的光电子经电场加速后，向阳极A运动而形成光电流。用安培表和伏特表分别测量光电管产生的光电流强度I和加速电压Ｖ的大小。

Ｖ K 光束 光电子 A Ａ

图2.4光电效应实验装置

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2.3.2 实验规律

1、第一定律，根据实验我们可以得出相关的伏安特性曲线。从伏安特性曲线得出光电流和光强度的关系：对于给定强度的单色光，加速电压V越大，光电流I强度越大；减小加速电压V，则光电流I随之减小；加速电压V等于0时，光电流I一般并不等于零。只有当两电极反向且反向电压达到一定值V0，时光电流I才等于0；当V增大到一定值时，光电流达到饱和值Im，改变入射光强度，则饱和电流Im的大小随之改变。上述结果表明，单位时间内自金属表面逸出的光电子数目（光电流强度）与入射光强度成正比，称为光电效应第一定律。

2、截止电压和截止频率，加速电压等于0时光电流不等于0，表明从阴极逸出的光电子具有一定的初动能，反向电压等于V0，光电流等于0，进一步表明光电子的最大初动能被全部用于克服反向电压而做功。若以v0表示与光电子最大初动能对应的最大初速度，则有

12mv0?eV0 （2.9） 2式中m表示电子质量，e表示电子电荷。由于这个反向电压V0对光电子起截止作用，故称为截止电压。进一步的实验表明，截止电压V0与入射光的频率v具有如下线性关系：

V0?Bv?A0 （2.10） 式中B为与金属材料性质无关的普适常数，A0为决定于金属材料性质的常数。利用（2.9）和（2.10）式可以得到：

12mv0?eBv?eA0 （2.11） 2上式表明，光电子的初动能与入射光强大小无关。只随入射光的频率做线性变化，

并且当入射光频率增大时，光电子的初动能也随之增大（称为第二定律）。当v0?0时，对应的入射光频率vmin?A0B。要使受光照的金属表面能够有光子逸出，入射光的频

2率就必须满足v?A0B?vmin，以使光电子具有初动能mv0?0。这个是光电子初动能等于0的最小入射光频率vmin反映了入射光的红限，称光电效应的截止频率。当入射光的频率v小于截止频率vmin时，无论光强有多大，电子都不会逸出金属表面（称为第三定律）。

3、弛豫时间，当入射光照射到光阴极上时，无论光强度大小如何，几乎在开始照射的同时就产生了光电子，弛豫时间最多不超过10?9s[2]。

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2.4爱因斯坦的光量子说

2.4.1光电方程

光电效应的现象在经典理论无法解析的时候，爱因斯坦受普朗克量子假说启发于1905年提出如下假设：当光束在和物质相互作用时，其能流并不像波动理论所想象的那样，是连续分布的，而是集中在一些叫做光子（photon）[或光量子（lightquantum）]的粒子上。但这种粒子仍保持这频率（及波长）的概念，光子的能量?正比于其频率v[3]。 根据爱因斯坦光量子假说，光束实际上是一种以光速运动这的粒子流。这些粒子被称为光量子。每一个频率为v的光量子有能量：

式中h为普朗克常数。光的能流密度大小S决定于单位时间通过单位面积的光子数N，即

S?Nhv （2.13）

Ep?hv（2.12）

同时，光子也具有质量和动量。根据相对论，由于光子以光速运动，光子的静质量等 于0，其动质量及动量大小分别为

hvc2 （2.14） hvhpp??c? （2.15） mp?入射光子与金属中的自由电子相互作用，使每个受作用的电子从入射中获得一个光子

的能量hv。根据能量守恒定律，电子所吸引的光子能量的一部分用于克服金属的束缚，

2mv0即消耗于逸出功A，另一部分则转化为电子的初动能。因此有

2hv?12mv0?A?eV0?A（2.16）2

此式就是爱因斯坦光电（效应）方程。

2.4.2光电效应的量子解释

利用波动理论解释有关的光电效应现象时存在着许多难以解释的问题，如：1、按照光的电磁理论，当金属受到光束照射时，其中电子作受迫振动，直到电子的振幅足够大时脱离金属而逸出。电子每单位时间能吸收的能量应与光强I成正比。但是实验证明V0与光强无关，这个无法解析。2、按照波动理论，不论入射光的频率v多少，只 要光强I足够大，总可以使电子吸收足够的能量hv超过A，从而产生光电效应。但实

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验表明，光频v<红限v0时，无论光强多大，也没有发生光电效应，这也无法解析。3、经典电磁理论认为光强大时电子能量积累的时间短，光强小时，能量积累的时间长，而实验表明发生光电效应的时间是不变的。

以上这些问题直到爱因斯坦提出光量子假设后才使得光电效应得到完满的量子解析。其解释如下：

1、按照光量子假设，逸出金属表面的光电子数目与入射光子数目成正比，即饱和光电流与入射光子数目成正比，入射光子数目与入射光强度成正比，因此饱和电流与入射光强度成正比。

2、不同的金属材料，其电子的逸出功A不同，根据爱因斯坦光电方程知，光电子的初动能与逸出功A和光子的频率v有关，逸出功一定时，光电子的初动能与光子的频率成正比。

3、电子每次只能够吸收一个光子的能量，如果光子的频率太低，以致于其能量小于逸出功（hv

Ah时,才能够发生光电效应。

4、由于一个电子每次只能吸收一个光子的全部能量，因此，光电效应发生并不需

2.5提高光电效应的途径

提高光电效应即增大物体中电子的溢出数目或几率，光电效应的提高途径研究不仅对改进光电传感器灵敏度具有重大意义，也对光伏电池发展具有推动作用。从爱因斯坦光电方程我们可以看出，提高光电效应的效率，有两个途径，一、提高光子的频率v，二、降低金属对电子束缚的能量A。 1、降低逸出功

表2.1 几种金属的溢出功[4]

元素 溢出功（eV）

在自然界中，每种金属都具有各自的电子逸出功，表2.1是几种金属逸出功：不同的金属所产生的光电效应条件不同，其光电效应的转换效率也一样。目前在光电效应

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Na K Cs Ba Be W Au 2.28 2.25 1.94 2.51 3.90 4.52 4.80 湖南工业大学本科毕业论文

的应用器件中，主要是对光电材料的研究。降低电子的逸出功方法，即选着逸出功 较小的材料，让低频率的光也能发生光电效应，提高光电转换的效率。通常可以通过改变材料的结构，使得材料具有某种新的特性，也可以通过在材料中加入某些元素，改变其性能，达到降低电子的逸出功。

2、提高光子的频率

通过与某些材料的作用，使得频率较低的光子得到增益，变成频率较高的光子，提高光子的能量，进而提高光的能量，达到提高光电效率的目的。具体来说是通过原子能电子的受激作用来提高光子的频率。这种方法不受光子频率的影响，能够使入射的光全部发生光电效应，同时受到材料的限制较低，不必去寻找新材料，就直接取现成材料作为光电反应材料就可以。其关键技术在于选择选取增益材料，但和对整个实验装置的设计，这相对而言就较容易实现。相反降低电子的逸出功的途径，需要在材料方面进行研究，由于固体材料的性质一般都比较稳定，改变其逸出功就比较复杂，得通过材料成型技术生成具有新的性质的样品，还需要对样品进行实验的测定，操作起来比较繁琐；或者是寻找具有新特性的新材料。

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第3章 光电效应的应用

3.1外光电效应的应用

效应的发现，最终总是导致技术的应用。1930年利用外光电效应做的光电转换器件——光电管开始实用化, 其不断改进的目标是提高灵敏度和扩展使用的光频域, 从而出现了继真空光电管之后的充气光电管。充气光电管尽管提高了灵敏度, 但对弱光的探测, 光电流仍然太微, 于是出现了光电倍增管[5]。

利用外光电效应制做的真空光电管和充气光电管曾在自动控制和检测中显露辉煌，现代多为小巧的半导体光电二极管和三极管所取代，但由真空二极管衍生出来的光电倍增管（PMT）却始终是将弱光信号转变成电信号不可或缺的传感器，广泛使用在众多高新探测技术中，如各种光谱仪，光子相关仪，光子计数器，红外探测仪，表面分析仪等场合，通道式电子倍增管由于增益高，功耗低，结构简单小巧，响应快、多功能等优点更受科技工作者欢迎，它可直接探测光、电子、离子、中性粒子、软X射线及α、β、γ等带能粒子。

光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。

Φ D1 D3 D5 A K D2 D4 图 3.1 光电倍增管结构示意图

D6 U0 RL IΦ

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图 3.2 各种光电倍增管实物图

3.2内光电效应的应用

内光电效应可分光电导效应和光伏特效应，因此分析内光电效应的应用又可从两个不同的方面来分析。 3.2.1 光电导效应的应用

1）基于光电导效应的电子器件有光敏电阻器，光敏电阻器是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的电子元件。当某种物质受到光的照射时,载流子浓度增加,从而增加了电导率,这就是光电导效应。这种附加的电导叫光电导。

根据光敏电阻器的光谱特性,光敏电阻器可分为以下几类[6]: (1)紫外光敏电阻器,用于探测紫外线;

(2)可见光敏电阻器,主要用于自动控制、光电跟踪以及照相机的自动曝光等场合; (3)红外光敏电阻器,主要用于导弹制导、光报警装置、人体病变探测、红外通信等工作中。

2）利用光电导效应原理工作的探测器称为光电导探测器。光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探测器,与传统的探测器相比,具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻、体积小、探头外形可变、测量对象广泛、便于复用、便于成网等优点,适用于大型机电、石油化工、冶金、高压输电等有强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀、狭小和特殊的环境中。

3）光电导材料也是目前摄像管中应用最为广泛的光电变换材料之一。它的光电变换或电荷存贮原理如下图 所示。

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图 3.3 光电导靶光电变换或电荷存贮原理

在光电导层上施以固定直流电压,形成跨层电压。当受光照时, 光电导材料的电导率升高,由此使正电荷从电位较高的一边流向较低的一边, 如图,从左到右。光电导材料右边由于电荷积累而使电位上升。电位升高量或电荷积累量与光照相对应,这样就把入射在光电导材料左边的光学像,转换成了右边的电位图像或电荷积累图像。与利用外光电效应的摄像管相比, 光电导摄像管突出的优点是:体积小、重量轻、结构简单、灵敏度高等。目前,它已广泛地应用于工业监控系统、电视节目制作系统和军事领域之中[7]。

3.2.2光伏特效应的应用

基于光伏特效应的应用光电池和光敏二极管、三极管。

光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。

图 3.4 PN结因光照产生电动势

光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高温辐射等。另外，很多分析仪器、测量仪表也常用到它。

光敏二极管、三极管与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN

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结参与了光电转换过程。

3.3光电效应的应用领域

3. 3 .1在工业生产中的应用

光电效应在工业生产中的应用主要通过光电传感器体现在自动化控制中，利用光电效应原理设计出各种工业所需控制环节，节约了大量的人力物力。如包装充填物高度检测。

图3.5所表示的是借助光电检测技术控制充填高度的原理图，当充填高度ｈ偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等

光电开光 h

光电信号放大整形 放大执行机构图 3.5 包装充填物高度检测装置框架图

3. 3. 2在农业中的应用

为害昆虫趋光性行为的分析表明，昆虫对敏感光源具有个体差异性和群体一贯性的趋光性行为特征，昆虫的这种趋光行为特征表现出生物光电效应的作用本质。利用昆虫的这种趋性行为诱导特性，一些光电诱导杀虫灯技术以及害虫诱导捕集技术广泛地应用于农业虫害的防治，展现出良好的应用前景[8]。

一般认为，昆虫趋光行为是由其复眼的视觉生理反应而引起的，因此在不同光波或光强作用下，昆虫复眼发生明显的生理变异，产生对光波和光强作用的适应性反应。明适应下，昆虫复眼的主色素细胞颗粒离开晶锥而分布，感杆束膨大并且其远端部分向晶锥方向延伸；暗适应下则产生与此相反的结果。昆虫复眼中这种屏蔽色素的移动

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可以控制复眼的进光量，实现明暗的适应过程。复眼眼底的气管组织具有着对光的反射能力，在暗适应时，由于屏蔽色素的移动，反射光斑会逐渐变大，反射能力大大加强，这样有效增加了微光被感光色素吸收的机会，从而提高了夜行昆虫复眼对光的敏 感度。

昆虫复眼的这种视觉生理反应无不与光波光强引起的昆虫复眼内的生物光电效应有关。在趋光行为过程中，光作用于昆虫复眼的光感受器或者光感受器受到光波光强的作用，将会引起光感细胞对光子能量的接受或反应，从而引起光感细胞信息信号传导的产生和变化，与凝聚态物质的光电效应过程一样，生物体内的这种信息信号的产生和传导变化也将以生理电信号的形式反映出来，进而控制复眼的生理结构调节和对光的适应及趋向。在昆虫趋光行为中，不同暗适应会导致复眼的电感灵敏度的差异，这种功能差异产生了昆虫趋光行为上的不同。

昆虫趋光行为过程中的生物光电效应作用本质，导致了光波光强对昆虫的趋性导向控制和刺激致晕扑灯，实现了趋光昆虫的捕集和灭杀。利用这一原理，人们已经提出并且实践了许多种农业害虫的趋光诱杀方法。

其中最佳代表性的就是河南汤阴佳多科工贸公司物理治虫研究所研发的佳多频振式杀虫灯。它采用320—400nm波段范围内的多个光波复合的高效荧光灯管引诱害虫，不但提高了诱虫效果达到最佳状态，而且减少了对天敌的诱杀危害，并配合有安全保护装置的频振电网杀虫技术以及网下的集中收集装置，将诱虫、杀虫和集虫有机地结合在一起。同时，佳多频振式杀虫灯外壳设计为黄色，充分利用了昼光下或灯管发光后反射的黄光成份对喜黄光昆虫的诱导捕杀作用，提高了捕虫效果；进一步，佳多频振式杀虫灯诱集到集虫袋内的昆虫，不断散发着性信息气味素，并与光诱导作用一起引诱和促使着异性昆虫扑向灯源，实现捕杀效果的进一步提高。

佳多频振式杀虫灯自1991年研制开发和推广应用以来，已经进行了几代的产品技术更新，不但应用于棉田虫害的灭杀治理，还广泛应用于蔬菜园艺、公园果园、风景林区、茶园桑田等害虫的治理，在全国获得了数百万公顷的控害应用，甚至还应用于烟草、酒曲等生产原料的储备期间的虫害灭杀。

3. 3. 3在放射医学中的应用

光电效应在检查骨折、胃肠道等疾病的诊断放射学中占有重要的地位[9]。射入人体的X射线与器官各组织相互作用时, 除一部分直接穿透外, 大部分光子在生物体中被不同程度的吸收, 否则, X射线对诊断和治疗就不会是很有用的。X射线的能量差别很大,光子与生物体的相互作用主要形式为光电效应、康普顿散射。在光子能量较低时,

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光电效应起主导作用。光电效应是射线在生物体中失去能量的一种方式。当射线进入生物体, 并与生物体原子的内层电子相互作用, 将其全部能量转移给一个电子, 使这个电子以一定的速度从原子的壳层中脱出, 而光子本身消失, 脱出原子叫 做光电子。

在诊断中产生的光电效应, 它能使照片影像质量好, 其原因是① 不产生散射线, 减少照片的灰雾② 可增强组织的对比度。由于人体的一些组织比其它组织能吸收更外的X射线, 这样才产生了射线影像的对比度。显然, 邻近组织吸收X射线的差别愈大, 其对比度愈高。而光电效应的几率与原子序数的三次方成正比, 所以光电效应能扩大不同元素所构成组织间吸收射线的差别。例如骨骼和其它组织, 在时, 由于发生光电效应, 骨骼吸收的X射线约倍于软组织。为了进一步利用光电效应, 放射学家常注入高E物质或是无毒性的、能产生合适的对比度、有适当的粘度、并且有合适的持久性的造影剂到身体不同的部位。有机碘常被注入血液以显示动脉有时将含碘油雾喷入肺脏以显示气管放射科医生让病人口服钡化合物去查看胃肠道的上部和钡灌肠去观察消化系统的另一端从照片的质量看, 光电效应是很有好处的, 但从被检者接受的X射线剂量来看, 光电效应又是很有害的。因为被检者从光电效应中接受的射线能量太多, 每一个入射光子的能量通过光电作用全部被人体吸收了。为了保护病人, 尽量减少或避免辐射对人体的伤害, 就应设法减少光电效应的发生。因为光电效应的发生几率与光子能量的三次方成反比, 利用这个特性我们在实际工作中可采用高千伏高能量照像技术, 以减少光电效应的发生几率, 从而保护被检者。但能量不能无体止的增加, 因随射浅能量的炭高, 射线透过生物体的比率增加。如呆采用高能射线光电效应的发生几率减少, 则放射科医生只能依靠康普顿散射来增加对比度, 射线的用处将大为减少。因为康普顿效应仅取决于生物体的密度, 骨骼的密度约两倍于软组织, 采用高能射线在底片上仍能看见骨骼, 但衬比度低。总之, 在诊断放射学中要根据生物体的不同部位, 选择不同能量的射线, 以及不同高原子序数的生物体, 来合理的控制和利用光电效应的发生。

3. 3. 4在军事中的应用

如今利用光电效应制作的各种作战仪器已广泛于军事之中，具有如下几种： 1、 红外夜视仪(热像仪)

通过光电导材料,热像仪中的红外光可变成可见光,即将红外图像转化为可见光图像,以便作战人员观察夜间战场情况。这一过程分为两步进行:首先是使用对红外辐射敏感的红外光电导探测器,把红外辐射信号变成电信号,该信号的大小正比于红外辐射的强度;其次是通过电视显像系统将电信号显示于电视屏幕上。

热像仪是当代夜视技术发展的最高水平,广泛应用于各类红外观察仪、红外热瞄

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器、坦克上的潜望仪器、带光测距机、火控系统与跟踪系统之中,具有隐蔽性好、抗干扰性强、分辨率高、全天候性等优点。

2、导弹系统中的制导装置和反导弹系统中的预警装置

红外光电导摄像管是红外制导导弹的眼睛。许多军事目标(飞机、坦克、军舰等) 都装有大率发动机,其动力部分是强大的红外辐射源,可形成红外制导导弹的目标控制信号。当信号被导弹接受后,经处理去驱动导弹的控制系统,在红外光电导摄像管的协助下,不断矫正导弹的飞行方向,逼近目标并加以摧毁。

用导弹拦截导弹,关键在于传感器准确及时地探测、跟踪目标。由对红外光响应速度快、灵敏度高、有较高响应率的光电导材料制成的红外光电导探测器,可安装在预警飞机或预警卫星上,能准确及时地探测、跟踪敌方导弹尾焰的红外辐射,是反导弹系统预警装置中的重要组成部分。

红外光电导制导、探测技术具有不易受干扰、定位准确率高、结构简单、成本低、可探测超低空目标等优点,但受气象条件的影响比较大,往往要和雷达配合,以便取长补短。目前,许多地空导弹是雷达—红外双模制导导弹。

有趣的是,光电导效应同样应用于隐身技术。通过光电导探测器来测量背景的红外辐射情况,然后抑制目标的红外辐射,或改变目标的热形状,从而达到目标和背景的红外辐射不可区分的隐身效果。

3. 3. 5其他应用

在教育教学方面,光电导摄像管可广泛地应用于学校教育教学的监督和管理评价工作之中。电导材料应用于扫描仪、复印机、投影仪,给学校的教学和人们日常的学习和交流带来方便。

在科学研究方面,利用红外光电导,可以遥感物体表面温度、无损探伤、气象遥感、地学遥感等。总之,光电导传感和遥感技术对于自动控制、机电一体化十分重要,在核技术、航天技术、能源技术和自动化技术等工作领域发挥着巨大的作用。

3.4光电效应应用前景与展望

1）外光电效应

如今外光电效应的应用主要体现在光电倍增管。而近些年得到广泛应用的MCP-PMT，金属封装PMT，多通道PMT代表了光电倍增管的最新研究进展[10]。它的特点包括以下几个方面。（1）高量子效率，高灵敏度，高响应速度，探测波长向红外延伸。

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某些型号PMT光谱响应范围可延伸置1200nm。（2）采用金属封装，多通道结构，提高有效光电面积。已有的平板型PMT，其有效光电面积可达89％。（3）采用平板化、多阳极技术，可以小型化，具有二维高分辨率。已有的10×10道阳极， ?44的MCP-PMT 厚度仅有14.8mm。（4）努力降低暗电流和自身噪声，减少放射性物质。暗电流最小可达0.5nA，自身噪声可减置5个暗计数/cm2sec。（5）将电子管真空技术与半导体技术，微细加工技术，电子轨道技术和周边电路技术相结合。HPD(Hybrid Photo Detector)就是一种结合了电子管真空技术与半导体技术的复合器件。光电转换后的电子经过电场加速,直接照射在CCD或APD上,引起“电子入射倍增效应”。（6）使用简单化，价格降低。

2）光伏效应

光伏效应的应用最有前景的莫过于光伏特电池。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势,成为关注重点。因而对于光电池来说还有较大的成长空间。照射在地球上的太阳能非常巨大,大约40分钟照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年的能量消费。而从太阳能获得电力,可以通过光伏特电池进行光电变换来实现。但要使太阳能发电真正达到实用水平,一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本; 二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。相信随着科学家对光伏特电池的进一步深入研究，太阳能的光电变换效率将会提高，成本会降低，进而光伏电池的实用水平大大的得到提高。

3）光电导效应

光电导效应的应用主要体现在光电导材料的应用，而探测、传感技术的发展离不开高性能的光电器件材料。在今后一段时内,响应速度更快、响应效率更好、灵敏度更高、响应频率更宽的高性能光电导材料,将是光电导技术研究的主要发展方向。展望未来,在光电子技术的革命中,光电导材料会在光学、集成光电子学和分子电子学领域发挥重大作用。

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结论

通过对光电效应的探讨，了解到光与电转化的本质过程，由于光具有波粒二象性的（即波动性和粒子性），本质上无法从经典物理角度进行解释，爱因斯坦的光量子假说给予该现象以完整解释，并在数学上给出了光电方程予以描述。从量子层面看光电效应，实际上是光量子与电子相互作用，进行能量的转换，发生物质状态的改变。根据光的产生机制可以知道，光子是具有特定频率(即能量)的不连续的微粒，在与电子发生作用时仅有处于某特定频率以上这一部分的光才会产生光电效应。因此当前光电效应存在的主要问题是效率问题，如何提高光电效应的转化效率是我们今后所面临的一个极其重要而又紧迫的研究课题。

光电效应的发现和研究有力的推动了社会的发展，利用外光电效应制作的光电倍增管是将弱光信号转变成电信号不可或缺的传感器，广泛使用在众多高新探测技术中，如各种光谱仪，光子相关仪，光子计数器，红外探测仪，表面分析仪等场合。基于光电导效应原理的光敏电阻广泛应用于自动控制、光电跟踪、照相机的自动曝光、导弹制导、光报警装置、人体病变探测、红外通信等工作中。利用光伏特效应原理制作的光伏电池为人类将清洁的太阳能转化成电能提供了理想的途径，使得人们能够更加广泛的利用太阳能，总的来说光电效应已广泛应用到众多领域当中。

在光电效应的应用领域中，除了对已有的电子器件进行不断的改进提高外，主要的研究内容在光伏电池方面和光电导材料方面。光伏电池使太阳能转化成电能成为可能，但是如何实现更有效的转化仍然是人类研究的课题。另外探测、传感技术的发展离不开高性能的光电器件材料。在今后一段时间内,响应速度更快、响应效率更好、灵敏度更高、响应频率更宽的高性能光电导材料,将是光电导技术研究的主要发展方向。人类已经进入信息时代,半导体和微电子技术无疑是信息社会的核心技术之一。展望未来 ,在光电子技术的革命中,光电导材料会在光学、集成光电子学和分子电子学领域发挥重大作用。在语言和图像的识别中,在复杂情况下作出判断的人工智能以及神经网络和模拟人脑等方面的发展中,半导体微电子技术和光电子技术仍将是未来科学技术革命的主要内容,作为一种性能不断优化的基础元器件,光电导材料将会作出巨大的贡献。

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参考文献

[1] “光电效应光子”教学设计

http://www.pep.com.cn/gzwl/gzwljszx/gzwlpgjc/wljxsj/wljxsj4/wljxsj4c/200511/t20051102_232411.htm

[2] 赵建林．光学［M］北京：高等教育出版社，2005：57-59,62-63．

[3] 王青．光电效应中阀能因素的探讨［J］西安建筑科技大学学报，2001，2(33)：

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展.，2006，Vol . 6 ，No. 4 ：70-72

[9] 仇惠,仇彬,郑钦学．光电效应在诊断放射学中的意义[J]．牡丹江医学院学报，1994，

15，3：49-51

[10] 李炜．光电倍增管（PMT）研究进展及应用——记2004年北京HAMAMATSU

技术交流会.

http://bmp.xjtu.edu.cn/zljs/12.doc

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毕业论文指导教师评阅表

学院（部）： 理学院 学生姓名 专 业 课题名称 朱 玲 学 号 06411200113 指导教师 姓 名 光电效应及其应用 班 级 071 应用物理学 方见树 评语：（包括以下方面，①学习态度、工作量完成情况；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；） 是否同意参加答辩： 指导教师评定成绩 分值： 是□ 否□ 指导教师签字： 年 月 日

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毕业论文评阅教师评阅表

学院（部）： 理学院 学生姓名 专 业 课题名称 朱 玲 学 号 06411200113 应用物理学 光电效应及其应用 班 级 071 评语：（对论文学术评语，包括选题意义；文献利用能力；所用资料可靠性；创新成果及写作规范化和逻辑性） 针对课题内容给设计者（作者）提出3个问题，作为答辩时参考。 1. 2. 3. 评 分： 是否同意参加答辩 是□ 否□ 评阅人签名： 年 月 日 - 9 -

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毕业论文答辩及最终成绩评定表

学院（部）（公章）： 理学院 学生姓名 课题名称 朱 玲 学号 06411200113 班 级 光电效应及其应用 071 答辩 日期 指导 方见树 教师 成 绩 评 定 评 定 分值 教师 教师 教师 教师 教师 小计 1 2 3 4 5 思路清晰，语言表达准确，课概念清楚，论点正确，实题验方法科学，分析归纳合介理，结论严谨，设计（论绍 文）有应用价值。 答辩 表现 思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确、深入,知识面宽。 合 计 30 70 100 答 辩 评 分 分值： 答辩小组长签名： 分值： 分值： 答辩成绩a： × ％＝ 指导教师评定成绩b： × ％＝ 评阅教师评定成绩c： × ％＝ 指导教师评分 评阅教师评分 最终评定成绩： 分数： 等级： 答辩委员会主任签名： 年 月 日 说明：最终评定成绩＝a+b+c，三个成绩的百分比由各学院（部）自己确定。

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