光電效應:物理現象-中文百科頻道

定律定義

1905年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。

光照射到金屬上，引起物質的電性質發生變化。這類光變緻電的現象被人們統稱為光電效應（Photoelectriceffect）。光電效應分為光電子發射、光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體内部，稱為内光電效應。赫茲于1887年發現光電效應，愛因斯坦第一個成功的解釋了光電效應（金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子）。

光波長小于某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發射電子的能量取決于光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。可事實是，隻要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，電子的産生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正确的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即光子或光量子)所組成。

光電效應裡電子的射出方向不是完全定向的，隻是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關。光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向産生影響。

光電效應說明了光具有粒子性。相對應的，光具有波動性最典型的例子就是光的幹涉和衍射。

隻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逸出光電子，發生光電效應。當在金屬外面加一個閉合電路，加上正向電源，這些逸出的光電子全部到達陽極便形成所謂的光電流。在入射光一定時，增大光電管兩極的正向電壓，提高光電子的動能，光電流會随之增大。但光電流不會無限增大，要受到光電子數量的約束，有一個最大值，這個值就是飽和電流。所以，當入射光強度增大時，根據光子假設，入射光的強度（即單位時間内通過單位垂直面積的光能）決定于單位時間裡通過單位垂直面積的光子數，單位時間裡通過金屬表面的光子數也就增多，于是，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，電流也随之增大。

研究曆史

光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化。這類光緻電變的現象被人們統稱為光電效應。英文名稱∶Photoelectric effect。這一現象是1887年赫茲在實驗研究麥克斯韋電磁理論時偶然發現的

1887年，赫茲在做證實麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時，偶然發現了光電效應。赫茲用兩套放電電極做實驗，一套産生振蕩，發出電磁波；另一套作為接收器。他意外發現，如果接收電磁波的電極受到紫外線的照射，火花放電就變得容易産生。赫茲的論文《紫外線對放電的影響》發表後，引起物理學界廣泛的注意，許多物理學家進行了進一步的實驗研究。

1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）證實，這是由于在放電間隙内出現了荷電體的緣故。

1899年，J•J•湯姆孫用巧妙的方法測得産生的光電流的荷質比，獲得的值與陰極射線粒子的荷質比相近，這就說明産生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這樣，物理學家就認識到，這一現象的實質是由于光（特别是紫外光）照射到金屬表面使金屬内部的自由電子獲得更大的動能，因而從金屬表面逃逸出來的一種現象。

1899—1902年，勒納德（P•Lenard，1862—1947）對光電效應進行了系統的研究，并首先将這一現象稱為“光電效應”。為了研究光電子從金屬表面逸出時所具有的能量，勒納德在電極間加一可調節反向電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面時的最大速度。他選用不同的金屬材料，用不同的光源照射，對反向電壓的截止值進行了研究，并總結出了光電效應的一些實驗規律。

1905年，愛因斯坦在《關于光的産生和轉化的一個啟發性觀點》一文中，用光量子理論對光電效應進行了全面的解釋。1916年，美國科學家密立根通過精密的定量實驗證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論。

深入的實驗發現的規律與經典理論存在諸多矛盾，但許多物理學家還是想在經典電磁理論的框架内解釋光電效應的實驗規律。勒納德在1902年提出觸發假說，假設在電子的發射過程中，光隻起觸發作用，電子原本就是以某一速度在原子内部運動，光照射到原子上，隻要光的頻率與電子本身的振動頻率一緻，就發生共振，電子就以其自身的速度從原子内部逸出。勒納德認為，原子裡電子的振動頻率是特特定的，隻有頻率合适的光才能起觸發作用。勒納德的假說在當時很有影響，被一些物理學家接受。但是，不久，勒納德的觸發假說被他自己的實驗否定。當時，還有一些物理學家試圖把光電效應解釋為一種共振現象。

實驗驗證

光電效應是指金屬表面在光輻射作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子。光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏打效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體内部，稱為内光電效應。

實驗規律

通過大量的實驗總結出光電效應具有如下實驗規律：

1、每一種金屬在産生光電效應是都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無光電子逸出。

2、光電效應中産生的光電子的速度與光的頻率有關，而與光強無關。

3、光電效應的瞬時性。實驗發現，隻要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的産生都幾乎是瞬時的，響應時間不超過十的負九次方秒（1ns）。

4、入射光的強度隻影響光電流的強弱，即隻影響在單位時間内由單位面積是逸出的光電子數目。

幾種金屬材料的極限波長(埃)：

材料

铯

鈉

極限波長

6520

5400

鋅

銀

鉑

3720

2600

1960

理論矛盾

在光電效應中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據經典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強度，即隻與電磁波的振幅有關，而與電磁波的頻率無關。而實驗規律中的第一、第二兩點顯然用經典理論無法解釋。第三條也不能解釋，因為根據經典理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時産生光電子。

光電效應裡，電子的射出方向不是完全定向的，隻是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關 ,光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向産生影響.

所有這些實際上已經曝露出了經典理論的缺陷，要想解釋光電效應必須突破經典理論。

光量子解釋

1905年，愛因斯坦把普朗克的量子化概念進一步推廣。他指出：不僅黑體和輻射場的能量交換是量子化的，而且輻射場本身就是由不連續的光量子組成，每一個光量子的與輻射場頻率之間滿足ε=hν，即它的能量隻與光量子的頻率有關，而與強度（振幅）無關。

根據愛因斯坦的光量子理論，射向金屬表面的光，實質上就是具有能量ε=hν的光子流。如果照射光的頻率過低，即光子流中每個光子能量較小，當他照射到金屬表面時，電子吸收了這一光子，它所增加的ε=hν的能量仍然小于電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能産生光電效應。如果照射光的頻率高到能使電子吸收後其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，就會産生光電效應。此時逸出電子的動能、光子能量和逸出功之間的關系可以表示成：光子能量 = 移出一個電子所需的能量（逸出功） + 被發射的電子的動能。

即：hf=(1/2)mv^2+Φ

這就是愛因斯坦光電效應方程。

其中，h是普朗克常數；f是入射光子的頻率；

Φ是功函數，指從原子鍵結中移出一個電子所需的最小能量，表達式如右圖，其中f0是光電效應發生的閥值頻率，即極限頻率；功函數有時又以W或A标記。

E(kmax)是逸出電子的最大動能，如右圖；m是被發射電子的靜止質量；vm是被發射電子逸出時的初速度。

注：這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預期），可能是因為系統沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。

根據愛因斯坦光量子理論，光電效應中光電子的能量決定于照射光的頻率，而與照射光的強度無關，故可以解釋實驗規律的第一、第二兩條。其中的極限頻率是指光量子的能量剛好滿足克服金屬逸出功的光量子頻率，而不同的金屬電子逸出所需要的能量不同，所以不同金屬的極限頻率不同。對第三條，由于當光量子的能量足夠，不管光強（隻決定于光量子的數目）如何，電子在吸收了光量子後都可馬上逸出，故可立即産生光電效應，不需要積累過程。當光照射到金屬表面時，其強度越大表明光量子數越多，它被金屬中電子吸收的可能性越大，因此就可以解釋為什麼被打出的電子數隻與光的強度有關而與光的頻率無關。

結果驗證

愛因斯坦用光量子理論對光電效應提出理論解釋後，最初科學界的反應是冷淡的，甚至相信量子概念的一些物理學家也不接受光量子假說。盡管理論與已有的實驗事實并不矛盾，但當時還沒有充分的實驗來支持愛因斯坦光電效應方程給出的定量關系。直到1916年，光電效應的定量實驗研究才由美國物理學家密立根完成。

密立根對光電效應進行了長期的研究，經過十年之久的試驗、改進和學習，有效地排除了表面接觸電位差等因素的影響，獲得了比較好的單色光。他的實驗非常出色，于1914年第一次用實驗驗證了愛因斯坦方程是精确成立的，并首次對普朗克常數h作了直接的光電測量，精确度大約是0.5%(在實驗誤差範圍内)。1916年密立根發表了他的精确實驗結果，他用6種不同頻率的單色光測量反向電壓的截止值與頻率關系曲線關系，這是一條很好的直線，從直線的斜率可以求出的普朗克常數。結果與普朗克1900年從黑體輻射得到的數值符合得很好。

分類

光電效應分為：外光電效應和内光電效應。

内光電效應是被光激發所産生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質内部運動，使物質的電導率發生變化或産生光生伏特的現象。

外光電效應是被光激發産生的電子逸出物質表面，形成真空中的電子的現象。

外光電效應

在光的作用下，物體内的電子逸出物體表面向外發射的現象叫做外光電效應。

外光電效應的一些實驗規律

a．僅當照射物體的光頻率不小于某個确定值時，物體才能發出光電子，這個頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應的波長λ0叫做極限波長。不同物質的極限頻率和相應的極限波長λ0 是不同的。

b．光電子脫出物體時的初速度和照射光的頻率有關而和發光強度無關。這就是說，光電子的初動能隻和照射光的頻率有關而和發光強度無關。

c．在光的頻率不變的情況下，入射光越強，相同的時間内陰極(發射光電子的金屬材料)發射的光電子數目越多

d．從實驗知道，産生光電流的過程非常快，一般不超過1

光電效應

0的-9次方秒；停止用光照射，光電流也就立即停止。這表明，光電效應是瞬時的。

e．愛因斯坦方程：hν=(1/2)mv^2+I+W

式中(1/2)mv^2是脫出物體的光電子的初動能。金屬内部有大量的自由電子，這是金屬的特征，因而對于金屬來說，I項可以略去，愛因斯坦方程成為 hυ=(1/2)mv^2+W 假如hυ

算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應時使用以下算式：光子能量= 移出一個電子所需的能量+ 被發射的電子的動能代數形式： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常數，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是入射光子的頻率，φ是功函數，從原子鍵結中移出一個電子所需的最小能量， f0是光電效應發生的閥值頻率，Em是被射出的電子的最大動能， m是被發射電子的靜止質量， v是被發射電子的速度

注：如果光子的能量（hf）不大于功函數（φ），就不會有電子射出。功函數有時又以W标記。這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預期）。愛因斯坦因成功解釋了光電效應而獲得1921年諾貝爾物理學獎。

基于外光電效應的電子元件有光電管、光電倍增管。光電倍增管能将一次次閃光轉換成一個個放大了的電脈沖，然後送到電子線路去，記錄下來。

内光電效應

當光照在物體上，使物體的電導率發生變化，或産生光生電動勢的現象。分為光電導效應和光生伏特效應（光伏效應）。

1 光電導效應

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀态過度到自由狀态，而引起材料電導率的變化。

當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，且光輻射能量又足夠強，光電材料價帶上的電子将被激發到導帶上去，使光導體的電導率變大。

基于這種效應的光電器件有光敏電阻。

2 光生伏特效應

“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”。指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間産生電位差的現象。它首先是由光子（光波）轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像築高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。

光伏發電，其基本原理就是“光伏效應”。太陽能專家的任務就是要完成制造電壓的工作。因為要制造電壓，所以完成光電轉化的太陽能電池是陽光發電的關鍵。

簡單來說就是在光作用下能使物體産生一定方向電動勢的現象。基于該效應的器件有光電池和光敏二極管、三極管。

①勢壘效應（結光電效應）

光照射PN結時，若hf≧Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而産生電子空穴對，在阻擋層内電場的作用下，電子偏向N區外側，空穴偏向P區外側，使P區帶正電，N區帶負電，形成光生電動勢。

②側向光電效應（丹培效應）

當半導體光電器件受光照不均勻時，光照部分産生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現了載流子濃度梯度，引起載流子擴散，如果電子比空穴擴散得快，導緻光照部分帶正電，未照部分帶負電，從而産生電動勢，即為側向光電效應。

③光電磁效應

半導體受強光照射并在光照垂直方向外加磁場時，垂直于光和磁場的半導體兩端面之間産生電勢的現象稱為光電磁效應，可視之為光擴散電流的霍爾效應。

④貝克勒耳效應

是指液體中的光生伏特效應。當光照射浸在電解液中的兩個同樣電極中的一個電極時，在兩個電極間産生電勢的現象稱為貝克勒耳效應。感光電池的工作原理基于此效應。

⑤紫外線光電效應

[3] 當紫外線照射到某些金屬的表面時，金屬内部的自由電子逸出金屬表面，這種紫外線的光緻電子發射構成了紫外線光電效應的内容之一。早在1887年德國物理學家（1857~1894）在研究紫外線輻射時，首先發現光電發射現象。在1888年光電發射有被俄國物理學家斯托列托夫（1839~1896）用實驗證明了這一現象。

3 光子牽引效應

當光子與半導體中的自由載流子作用時，光子把動量傳遞給自由載流子，自由載流子将順着光線的傳播方向做相對于晶格的運動。結果，在開路的情況下，半導體樣品将産生電場，它阻止載流子的運動。這個現象被稱為光子牽引效應。

衍生

(一)反常光生伏特效應：

一般光生電壓不會超過Vg=Eg/e,但某些薄膜型半導體被強白光照射會出現比Vg高的多的光生電壓，稱反常光生伏特效應。（已觀察到5000V的光生電壓）

70年代又發現光鐵電體的反常光生伏特效應（APV）可産生1000V到100000V的電壓，且隻出現在晶體自發極化方向上，

光生電壓：V=(Jc/(σD+△σl))l

(二)貝克勒爾效應：

将兩個同樣的電極浸在電解液中，其中一個被光照射，則在兩電極間産生電位差，稱為貝克勒爾效應。

（有可能模仿光合作用制成高效率的太陽能電池）

(三)光子牽引效應：

當一束光子能量不足以引起電子-空穴産生的激光照射在樣本上，可在光束方向上于樣本兩端建立電勢差VL，其大小與光功率成正比，稱為光子牽引效應。

(四)俄歇效應（1925年法國人俄歇）

用高能光子或電子從原子内層打出電子，同時産生确定能量的電子（俄歇電子），使原子、分子稱為高階離子的現象稱為俄歇效應。

應用：俄歇電子能譜儀用于表面分析，可辨别不同分子的“指紋”。

(五)光電流效應（1927年潘甯）

放電管兩級間有光緻電壓（電流）變化稱為光電流效應。

（1）：低壓氣體可以放電（約100Pa的惰性氣體）

（2）：空間電荷效應與輝光放電：

放電管中由陰極到陽極存在7個不同的區域：

1：阿斯頓暗區：靠近陰極很薄的一層暗區。原因：從陰極由正離子轟擊出的二次電子動能很小，不足以激發原子發光。

2：陰極輝區：繼阿斯頓暗區後很薄的發光層。

3：陰極暗區：電子從陰極達到該區，獲能量越來越大，超過原子電離能，引起大量碰撞電離，雪崩電離過程集中發生在這裡。産生電離後電子很快離開，這裡形成了很強的正空間電荷，引起電場分布畸變，管壓大部分降在此處和陰極間

以上三區為陰極位降區。

4：負輝區：是發光最強的區域。電子在負輝區産生許多激發碰撞發出明亮的輝光。

5：法拉第暗區：電子在負輝區損失能量，進入此區無足夠的能量産生激發。

6：正柱區：在此區電子密度與正離子密度相等，淨空間電荷為零，因此又稱等離子區。

7：陽極區：可看到陽極暗區和陽極輝區。

應用：氣體放電器件，如氣體放電燈（熒光燈、霓虹燈、原子光譜燈、氖泡）、穩壓管、冷陰極閘流管等。激光器中用正柱區實現粒子束反轉，粒子束裝置中冷陰極離子源，半導體工藝中等離子體刻蝕，薄膜濺射沉積，等離子體化學沉積等。

（3）：光電流效應機理：亞穩态（壽命約10^(-4)s到10^(-2)s）原子較中性原子易于電離，多産生一些激發原子，尤其是亞穩态原子，可能改變放電管中載流子濃度。

（4）：光電流光譜技術應用：光電流光譜無需常規光譜儀的光學系統，從紫外、可見、紅外到微波都可産生光電流效應。光電流光譜有8個數量級的動态範圍，靈敏度高、噪聲小，是一種超靈敏的光譜技術。（1976年格林等用激光證實光電流光譜）

（5）：焦希效應：當用可見光連續輻照以空氣或絕緣氣體為介質的氣體電容器時，流經電容器的低頻電流将發生變化，稱為焦希效應。

（6）：馬爾特效應：當放電管陰極表面有金屬氧化膜，正離子轟擊表面時，二次電子發射作用增強，稱為馬爾特效應。

應用

制造光電倍增管

光電倍增管能将一次次閃光轉換成一個個放大了的電脈沖，然後送到電子線路去，記錄下來。算式在以愛因斯坦方式量化分析光電效應時使用以下算式：光子能量 = 移出一個電子所需的能量 + 被發射的電子的動能代數形式： hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常數，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是入射光子的頻率， φ是功函數，從原子鍵結中移出一個電子所需的最小能量， f0是光電效應發生的閥值頻率， Em是被射出的電子的最大動能， m是被發射電子的靜止質量， v是被發射電子的速度，注：如果光子的能量（hf）不大于功函數（φ），就不會有電子射出。功函數有時又以W标記。

這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小于預期），可能是因為系統沒有完全的效率，某些能量變成熱能或輻射而失去了。

光控制電器

利用光電管制成的光控制電器，可以用于自動控制，如自動計數、自動報警、自動跟蹤等等，右上圖是光控繼電器的示意圖，它的工作原理是：當光照在光電管上時，光電管電路中産生電光流，經過放大器放大，使電磁鐵M磁化，而把銜鐵N吸住，當光電管上沒有光照時，光電管電路中沒有電流，電磁鐵M就自動控制，利用光電效應還可測量一些轉動物體的轉速。

光電倍增管

利用光電效應還可以制造多種光電器件，如光電倍增管、電視攝像管、光電管、電光度計等，這裡介紹一下光電倍增管。這種管子可以測量非常微弱的光。右下圖是光電倍增管的大緻結構，它的管内除有一個陰極K和一個陽極A外，還有若幹個倍增電極K1、K2、K3、K4、K5等。

使用時不但要在陰極和陽極之間加上電壓，各倍增電極也要加上電壓，使陰極電勢最低，各個倍增電極的電勢依次升高，陽極電勢最高，這樣，相鄰兩個電極之間都有加速電場，當陰極受到光的照射時，就發射光電子，并在加速電場的作用下，以較大的動能撞擊到第一個倍增電極上，光電子能從這個倍增電極上激發出較多的電子，這些電子在電場的作用下，又撞擊到第二個倍增電極上，從而激發出更多的電子，這樣，激發出的電子數不斷增加，最後後陽極收集到的電子數将比最初從陰極發射的電子數增加了很多倍（一般為105～108倍）。因而，這種管子隻要受到很微弱的光照，就能産生很大電流，它在工程、天文、軍事等方面都有重要的作用。

農業病蟲害防治

農業蟲害的治理需要依據為害昆蟲的特性提出與環境适宜、生态兼容的技術體系和關鍵技術。為害昆蟲表現了對敏感光源具有個體差異性和群體一貫性的趨光性行為特征，并通過視覺神經信号響應和生理光子能量需求的方式呈現出生物光電效應的作用本質。利用昆蟲的這種趨性行為誘導增益特性，一些光電誘導殺蟲燈技術以及害蟲誘導捕集技術廣泛地應用于農業蟲害的防治，具有良好的應用前景。

廣泛應用于醫療手術、整形技術、祛斑美容技術等

光電技術目前已廣泛應用醫療手術、整形、祛斑美容等方面。在醫療手術方面，現在一些外科及内科手術中，會使用光電技術在手術中扮演切除、收口的角色。在傳統手術中，運用手術刀切開身體組織，最長出現的問題就是出血，在止血及清理血液滲出方面增加了手術的難度與時間，運用光電技術可以快速且整齊嚴謹的切除身體組織，同時立即起到凝血的作用，避免創面出血，同時降低傷口感染的幾率，現已被醫院廣泛應用。

在整形美容方面，不同的光電技術能夠去除色斑、色痣、皮膚疣體、皮贅等等皮膚問題，同時嫩膚美白、抗老、收細毛孔的效果也是衆多美容儀器、技術、手術所比不上的，同時應用廣泛、操作方面、創面更小等特點在整形與美容醫院廣泛使用。目前廣電技術在我們國家的研究與使用也非常廣泛，如我們常見的北京光電研究所、長春奧普光電、深圳光峰光電、華北光電技術研究所、杭州擎天光電、香港美肌光-光電集團等等......為我國的光電技術的快速發展做出了突出貢獻。