光电效应

光电效应由德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）于1887年发现，[12][13]威利斯·兰姆（Willis Lamb）与马兰·斯考立（Marlan Scully）于1969年使用半经典方法证明光电效应，该方法将电子的行为量子化，又将光视为纯粹经典电磁波，完全不考虑光是由光子组成的概念。[14][15]直到1905年，爱因斯坦（Einstein）提出光量子假说才准确解释了光电效应，他也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。[13][16][17]

利用光电效应，可得到物质的光电子（能）谱，用以研究物质的电子能级、光电特性及表面物理和化学特性；[4]可制作光电管、光电倍增管、光敏二极管、光敏三极管、光电池等光电元器件与光电式传感器。[5][6]

定义

光电效应是光照射到物质上，引起物质的电性质发生变化的一类光致电变现象的统称。[8]光电效应分为外光电效应和内光电效应。[9]

外光电效应

外光电效应（也称光电发射效应）是物质被光的照射，当入射的光子能量足够大时，光子与物质的电子相互作用，致使电子逸出物质表面的现象。[18]

内光电效应

内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化[19]或产生光生电动势的现象。内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）两类。[20]

光电导效应

光电导效应是半导体材料在被光线的照射时，吸收入射光子能量，当光子能量大于或等于半导体的材料的禁带宽度时，激发出电子-空穴对，使得载流子浓度增加，半导体的导电能力增强，阻值减低的现象。[20]

光生伏特效应

光生伏特效应是半导体PN结[a]在光照射时产生电动势的现象。[21]光生伏特效应通常分为结光电效应与侧向光电效应两类，光线照射PN结区时，便在结区两部分之间引起光生电动势称为结光电效应；半导体PN结较灵敏面局部受光照时，由载流子浓度梯度产生电动势称为侧向光电效应。[22]

效应机理

理论解释

根据量子理论，光是一种有一定频率的电磁波，它的传播和吸收不是连续的；而是一份一份的，这一份额叫做光量子或称为光子，每个光子都有一定的能量，其值；其中表示辐射频率，为普朗克常数，常数值等于6.25×10-34J·s。[23]当具有能量的光子，被物质(金属或半导体)吸收后会激发出自由电子，当电子的能量足以克服表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流。[10][24]

光由称为光子或光量子的微小能量包组成。每个能量包都携带能量与频率成正比相应的电磁波。比例常数已被称为普朗克常数。在通过吸收光子能量而从不同的原子结合中移除的电子的动能范围内， 最大动能是：

，是电子从材料表面逸出所需的最小能量。它称为逸出功，有时用或者表示，逸出功则光电子的最大动能的为动能为正，且是光电效应发生所必需的，频率是给定材料的阈值频率。高于该频率，光电子的最大动能以及停止电压（为基本电荷，是一个电子所带的电量）随频率线性上升，并且不依赖于光子数量和入射光的强度。[25][11]

光电子发射的三步模型

斯派塞（Spicer）在1958年提出了光电发射的三步模型理论，通过对光电发射的三步物理过程的唯象理论[b]分析获得了光电子发射的三步模型，而后经过了不断的完善和发展成为解释各种光电子发射现象的基本框架理论。三步模型将光电子发射分为三个步骤：[26]

1.材料内部电子被入射光子激发到高能态，这是体内的电子与入射的光子相互作用的结果。[27]

2.受激电子向表面扩散受到散射而损失能量，第二步过程是一个随机过程，每一个受激电子在其向表面迁移的轨道各不相同。[27]

3.受激电子克服材料表面势垒逸出。[27]

固体发射模型

有序结晶固体的电子性质由电子态相对于能量和动量的分布决定，即固体的电子能带结构。固体光发射的理论模型表明，这种分布在很大程度上保留在光电效应中。[28]紫外和软X射线激发的唯象学三步模型将效应分解为以下步骤：[29][30][31]

1. 材料内部的光电效应是占据和未占据电子状态之间的直接光学跃迁。这种效应受偶极子跃迁的量子力学选择规则的约束，电子后面留下的空穴会引起二次电子发射，或所谓的俄歇效应，即使初级光电子没有离开材料，也可能是可见的。在分子固体中，声子在此步骤中被激发，并且可能在最终电子能量中可见为卫星线。[28][29]

2. 电子传播到表面，其中某些电子可能由于与固体的其他成分的相互作用而散射。起源于固体深处的电子更有可能遭受碰撞，并以改变的能量和动量出现，它们的无均值路径是一条取决于电子能量的通用曲线。[30][31]

   3.电子通过表面势垒逃逸到真空的自由电子样状态。在这一步中，电子在表面的功函数中损失能量，并在垂直于表面的方向上遭受动量损失。[29][31]在某些情况下，三步模型无法解释光电子强度分布的特殊性。[32]更复杂的一步模型将这种效应视为光激发到有限晶体最终状态的相干过程，其波函数在晶体外部是类似自由电子的，但内部有一个衰变的包层。[31]

研究历史

光电效应首先由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年发现，菲利普·莱纳德（Philipp Lenard）用实验发现了光电效应的重要规律。阿尔伯特·爱因斯坦则提出了正确的理论机制。[13][33][34]

十九世纪

1839年，法国物理学家A·E·贝克勒尔（Alexandre Becquerel），意外地发现，当两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势（光生伏特）。[35]1873年，威洛比·史密斯（Willoughby Smith）在研究布设水下电缆的不间断检测方法时，发现硒具有光电导性，硒棒的导电能力在光照条件下显著增加。[36]

发现光电效应

1887年，德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应；赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波，另一套作为接收器，他意外发现，接收电磁波的电极受到紫外线的照射时火花放电更容易产生。[37]赫兹发表论文《紫外线对放电的影响》（《On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators》）对这一发现进行了说明，[38]引起了许多物理学家的关注。1888年，德国物理学家霍尔瓦希(Hallwachs)和俄国的斯托列托夫(CrteTos)，他们各自独立地发现负电极在光照射下(特别是紫外线照射下)会放出带负电的粒子。同年，德国物理学家埃尔斯特(Elster)和盖特尔(Geitel)指出有些金属(如钾、钠、锌、铝等)在紫外光或可见光作用下有光电效应产生，他们认为，光电效应的带电粒子是以一定的速度从金属中逃逸而出。[39]

1888至1891年间，俄罗斯物理学家史托勒托夫（Alexander Stoletov）完成了一些关于光电效应的实验与分析，他设计出一套实验装置用于光电效应的定量分析，史托勒托夫发现，光的辐照度与感应光电流的有直接比例。史托勒托夫和里吉还共同研究了光电流与气压之间的关系，他们发现，气压越低，光电流变越大，直到最优气压为止；低于这最优气压，则气压越低，光电流变越小。[40]

发现电子

1897年，汤姆孙（Thomson·Joseph John）在大不列颠皇家研究院（Royal Institution of Great Britain）的演讲中表示，他通过观察在克鲁克斯（Sir William Crookes）管里的阴极射线所造成的萤光辐照度，发现阴极射线在空气中透射的能力远超一般原子尺寸的粒子，主张阴极射线是由带负电荷的粒子组成。此后不久，汤姆孙通过观察阴极射线因电场与磁场作用而产生的偏转测得了阴极射线粒子的荷质比。1899年，汤姆孙用紫外线照射锌金属，又测得发射粒子的荷质比为，与之前的实验中测得的阴极射线粒子的数值大致符合，他推断这两种粒子是同一种粒子，即电子。[40]

二十世纪

普朗克量子相关

1900年，德国理论物理学家普朗克（Max Planck）在柏林物理学学会上发表了题为《论正常光谱的能量分布定律的理论》（《 On the law of distribution of energy in the normal spectrum》）的论文，正式提出普朗克量子假说，认为电磁场和物质的能量交换以间断的形式(量子)实现。[41][25]1902年，德国实验物理学家菲利普·莱纳德（Philipp Lenard）发现，金属光电效应逸出电子的能量与照射在金属上的光强无关而与入射光的颜色（即频率）有关。[42]

1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》（《On a Heuristic Viewpoint Concerning the Emission and Transformation of Light》[16]），在普朗克量子假说的基础上提出了光量子假说，认为光(电磁辐射)是由光量子组成的，每个光量子的能量与辐射频率 的关系是（为普朗克常数），[43]以此对光电效应作出解释，入射的光子被金属中的电子吸收，电子获得了大小为的。电子把一部分能量用于脱离金属表面时所需要的逸出功 ，另一部分则成为逸出电子的初动能，并给出光电效应方程。[44]

1921年，爱因斯坦因对光电效应的解释及其他理论物理学的成就而获得诺贝尔物理学奖。[45]

光电效应方程的验证

1906年，美国物理学家密立根(R. A. Millikan)，用真空管进行实验，历经十余年的工作，精确地验证了爱因斯坦的光电效应方程，并首次用光电效应法测得了与理论值基本吻合的普朗克常数，于1916年发表了实验结果。1923年，密立根因完成了这一验证实验并获诺贝尔物理学奖。[46]

实验相关

在一个真空的玻璃或石英封闭容器内，装置了金属发射极与集电极，将两个电极连结至可变电源两端，用可变电源调整发射极与集电极之间的电压，用电流表测量两个电极之间的电流。[47]

截止电压（遏制电压）

对发生光电效应的材料施加加速电压将产生光电流，施加与加速电压相反的反向电压时光电流强度将减小，当光电流强度减小到零时所施加的反向电压称为遏止电压。[48]

电压表与电流表读取的数值，可以绘得上图所示的曲线图。按照曲线图分析，给定适当光频率，给定辐照度，正电压 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，因此电流跟着增大，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” ，再增加正电压也不会增加电流。[49]

动能相关

光由称为光子的微小能量束或能量包组成，当光子达到或超过金属的截止频率时，电子才会被光子激发，光子达到截止频率时电子所吸收的能量是使电子能够逸出金属表面的最小能量，称为逸出功 ，，为普朗克常数，是材料的截止频率。被光子激发的电子会消耗能量来克服逸出功，若电子所吸收的能量能够克服逸出功后还有剩余能量，这些剩余能量则会成为电子在被发射后的最大动能，，为光子的频率。[50]

根据经典物理学，入射光束是一种电磁波，在金属表面的电子感受到电磁波的电场力，会跟着电磁波振动。假若电磁波的振辐越大，则电子也会越激烈、更具能量地振动，因此，发射出的光电子也会拥有更大的动能。[51]

底限频率

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分析后，可知，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征频率，称为“底限频率”，对应的波长称为“底限波长”。[52]

偏振方向

假设照射平面偏振光束于金属表面，则光电子的发射方向分布的高峰是入射光束的偏振方向（电场方向）。[53]

实验规律及结论

通过实验并结合爱因斯坦方程可得出以下规律和结论：[46]

1．金属有产生光电效应的截止频率，当照射光的频率低于截止频率时不会发生产生光电效应，不同的金属材料的截止频率不同。[54]

2．入射光的强弱只影响光电子形成光电流的大小。[54]

3．光电效应是瞬间发生的，时间不超过10-9s。[55]

3光电子脱出物体时的初速度或者初动能和照射光的频率有关，而和入射光的强弱无关。[55]

4.单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光的强度成正比。[55]

研究进展

2019年，中国北京大学地球与空间科学学院鲁安怀、李艳和丁竑瑞以及物理学院刘开辉与美国吉尼亚理工（Virginia Tech）大学的迈克尔·霍切拉（Michael F. Hochella Jr.）等合作，发现直接暴露在太阳光下的岩石/土壤颗粒体表面的铁锰（氢氧）氧化物”矿物膜“具有光电效应，证实太阳光也可作用于地表矿物，产生能量的吸收与转化现象而发生非经典光合作用。[56]

2022年，英国剑桥大学卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）的研究人员与英国兰卡斯特大学（Lancaster University）以及德国奥格斯堡大学（Universitat Augsburg）的研究者合作，在用太赫兹波照射二维电子系统时发现了面内光电效应（in-plane photoelectric effect），面内光电效应能够发生在低频工作频率下（太赫兹频段）存在于具有高度导电特性的二维电子气系统中的量子光激发过程。[57]

应用

光电子（能）谱

由光电效应可得到物质的光电子（能）谱，物质的电子在吸收波长足够短的电磁波后，从其所在的能级脱离，其动能大小决定于入射电磁波的能量与所在能级的能量之差，电子获得的最大动能与入射光频成正比，而产生的光电流与入射光强成正比，但在超过一定长波限后不再有光电流。用光电元件接收能量已知的单色辐射，测出所产生光电子的多少及速度分布即为光电子能谱。根据光电子能谱可研究物质的电子能级、光电特性及表面物理和化学特性。X光、紫外光、可见光、红外光等均有各自相应的光电子能谱。[4]

光电元器件与光电式传感器

光电元件的理论基础是光电效应，光电式传感器的原理是光电转换元件的光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等，基于内光电效应的有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等，光电池则基于光生伏特效应。[5]

光电管

光电管是基于外光电效应制成的光电器件，可使光信号转换成电信号，分为真空光电管和充气光电管两类。这两类光电管结构相似，由一个阴极和一个阳极构成，并且密封存在一只真空玻璃管内，阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。光电管灵敏度较高但具有稳定性较差、惰性大、温度影响大以及容易衰老等一系列缺点。[58]

光电倍增管

光电倍增管是基于外光电效应和电子光学的光电器件，具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。光电倍增管常用于极端微弱光信号的探测，如天文观测、夜视仪、核辐射探测、地质探测、光谱分析仪、宇宙射线探测仪、激光雷达等。[59]

光敏电阻

光敏电阻基于内光电效应制成，由玻璃基片、光敏层、电极等部分组成，在半导体光敏材料两端安装上引线，将其封装在带有透明窗的管壳里，借助光敏材料的内光电效应实现电阻大小的调节，无光照时呈现出高电阻状态，当有光照时，呈现出高电阻状态。光敏电阻器对光线敏感且体积较小。[60]

光敏二极管

光敏二极管基于内光电效应制成，装在透明玻璃外壳中，PN 结位于管顶，可直接受到光照射。在没有光照射时，光敏二极管的反向电阻很大，反向电流(也叫暗电流)很小，这时光敏二极管处于截止状态；当有光照射时，光敏二极管处于导通状态，电流与光照强度正相关。[61]

光敏三极管

光敏三极管基于内光电效应制成，有PNP型和NPN型两种，有两个PN结。当光敏三极管的集电极加上正电压时，基极开路，集电结处于反向偏置状态。当光线照在发射结时，基极相对发射极电位升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，集电极电流是光电流的数倍。[61]

光电池

光电池基于光生伏特效应制成，是一种自发电型的光电传感器，其结构如图：[62]

光电池可用于检测光的强弱及能引起光强变化的其他非电物理量。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光电池、磷化镓光电池等。其中，硅光电池具有稳定性好、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、耐高温等优点，得到了广泛的应用。硒光电池的光谱峰值位置在人眼的视觉范围内，多用于分析仪器、测量仪表。[62]

农业

光电分选机

光电分选机是根据物料颜色及其明暗的差异、利用光电效应进行分选的机器，当物料通过检测点时，物料的反射光经透镜辐射到光电管上，与预设的作为基准的背景的反射光相比较，若两者有差异，便引起电信号的变化，经放大、鉴别、转换后传送到分离执行机构，剔除掉不合要求的物料。光电分选机的适应范围广、分辨灵敏度与准确度高，可以完成其它清选机具难完成的分选，但造价较高。[63]

其他

夜视仪

夜视仪是一种在夜间或低亮度条件下，将不可见辐射加以转变或将微弱的夜天光增强，成为人眼可以感受的可见光的仪器。20世纪30年代初，美国工程师法恩斯沃思（Philo Taylor Farnsworth）提出了光电图像转换原理，为近代夜视技术提供了理论基础。[64]为了产生光电效应，当光子被电子吸收后，必须有足够能量将电子从物质的导带移至真空能级（vacuum level），这需要用到额外能量来克服光阳极的电子亲合势，除了禁带以外，这是另外一种阻碍光电子发射的势垒，这在能带间隙模型（band gap model）里有详细说明。有些像砷化镓一类的物质，其有效电子亲合势低于导带的能级。对于这种物质，移动到导带的电子有足够能量被发射出来，成为光电子。这种物质可以制成很厚的薄膜来吸收光子。这种物质称为“负电子亲合势”物质。[65]

月球尘

阳光照射到月球表面与月球尘，会因为光电效应，促使它们带有正电荷，因此月球尘会被月球表面排斥，静电悬浮（electrostatic levitation）于月球表面上方几米高区域，悬浮在月球空中好似“大尘层”，从远处观察，可以看到一层薄薄的灰霾，迢遥的月球轮廓因此变得模糊不清，落日后，依旧可以在地平面上方看到暗淡的曙暮光。这现象最先被1960年代测量员计划拍摄存证。根据“动力学喷泉模型”（dynamic fountain model），在获得电荷与释出电荷的循环过程中，月球尘粒子像喷泉般地移动。[66][67]

影响及意义

光电效应现象起初只是赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时的偶然发现，后来却成为突破麦克斯韦电磁理论的一个重要证据。爱因斯坦在研究光电效应时给出的光量子解释拓宽了普朗克的量子理论，证明了光辐射是量子化的，为唯物辩证法的对立统一规律提供了自然科学证据。光电效应的光量子解释为波尔的原子理论和德布罗意物质波理论奠定了基础。[68]光电效应现象的发现，帮助学者们深入地认识光的波粒二象性，给量子理论以直观、明确的论证。[17]

类似现象

康普顿（Compton）效应

射线在物质中的散射谱线中除了波长和原射线相同的成分以外，还有一些波长较长的成分，两者差值的大小随着散射角的大小而变，这种射线波长改变的散射称为康普顿效应。[69]康普顿效应证明了光子假设的正确性，证实了在微观粒子的相互作用过程中，也严格遵守着能量守恒和动量守恒。光电效应和康普顿效应等实验现象，证实了光的波粒二象性。光在传输过程中，波动性表现较为明显；而光和物质作用时，粒子性表现比较明显。[70]

注释

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[a]采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结

[b]唯象理论又称表观理论，是从宏观现象及其规律描述实验现象的宏观规律的理论，不考虑宏观现象及规律背后的原子或分子过程，也无需建立某种微观模型。电学的欧姆定律、热力学的热力学定律等都是唯象理论。

参考资料

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