光電效應

光電效應是指光束照射物體時會使其發射出電子的物理效應。發射出來的電子稱為「光電子」。:1060-1063:1240-12461887年，德國物理學家海因裡希·赫茲發現，紫外線照射到金屬電極上，可以幫助產生電火花。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表論文《關於光產生和轉變的一個啟發性觀點》，給出了光電效應實驗資料的理論解釋。愛因斯坦主張，光的能量並非均勻分佈，而是負載於離散的光量子，而這光子的能量和其所組成的光的頻率有關。這個突破性的理論不但能夠解釋光電效應，也推動了量子力學的誕生。由於「他對理論物理學的成就，特別是光電效應定律的發現」，愛因斯坦獲頒1921年諾貝爾物理學獎。在研究光電效應的過程中，物理學者對光子的量子性質有了更加深入的瞭解，這對波粒二象性概念的提出有重大影響。:1240-1246除了光電效應以外，在其它現象裡，光子束也會影響電子的運動，包括光電導效應、光生伏打效應、光電化學效應。根據波粒二象性，光電效應也可以用波動概念來分析，完全不需用到光子概念。威利斯·蘭姆與馬蘭·斯考立於1969年使用半經典方法證明光電效應，這方法將電子的行為量子化，又將光視為純粹經典電磁波，完全不考慮光是由光子組成的概念。:27-28簡述.通常把在光的照射作用下，物質材料中電子逸出其表面形成光電流的現象叫做外光電效應。相對應的，把在光照射的作用下，物質吸收光子能量並激發自由電子的現象稱為內光電效應。理論概述.光束裡的光子所擁有的能量與光的頻率成正比。假若金屬裡的電子吸收了一個光子的能量，而這能量大於或等於某個與金屬相關的能量閾值會增加光束裡光子的密度，在同一段時間內激發更多的電子，但不會使得每一個受激發的電子因吸收更多的光子而獲得更多的能量。換言之，光電子的能量與輻照度無關，只與光子的能量、頻率有關。被光束照射到的電子會吸收光子的能量，但是其中機制遵照的是一種非全有即全無的準則，光子所有能量都必須被吸收，用來克服逸出功，否則這能量會被釋出。假若電子所吸收的能量能夠克服逸出功，並且還有剩餘能量，則這剩餘能量會成為電子在被發射後的動能。:1060-1063逸出功 formula_1 是從金屬表面發射出一個光電子所需要的最小能量。如果轉換到頻率的角度來看，光子的頻率必須大於金屬特徵的極限頻率，才能給予電子足夠的能量克服逸出功。逸出功與極限頻率 formula_2 之間的關係為formula_3 ；其中，formula_4 是普朗克常數，formula_5 是光頻率為 formula_2 的光子的能量。克服逸出功之後，光電子的最大動能 formula_7 為formula_8 ；其中，formula_9 是光頻率為 formula_10 的光子所帶有並且被電子吸收的能量。實際物理要求動能必須是正值，因此，光頻率必須大於或等於極限頻率，光電效應才能發生。:18-21歷史.光電效應首先由德國物理學家海因裡希·赫茲於1887年發現，對發展量子理論及提出波粒二象性的設想起到了根本性的作用。菲利普·萊納德用實驗發現了光電效應的重要規律。阿爾伯特·愛因斯坦則提出了正確的理論機制。十九世紀.1839年，年僅19歲的亞歷山大·貝克勒於1873年在進行與水下電纜相關的一項任務，測試硒圓柱高電阻性質時，發現其具有光電導性，即照射光束於硒圓柱會促使其電導增加。1887年，德國物理學者海因裡希·赫茲做實驗觀察到光電效應、電磁波的發射與接收。在赫茲的發射器裡有一個火花間隙，可以藉著製造火花來生成與發射電磁波。在接收器裡有一個線圈與一個火花間隙，每當線圈偵測到電磁波，火花間隙就會出現火花。由於火花不很明亮，為了更容易觀察到火花，他將整個接收器置入一個不透明的盒子內。他注意到最大火花長度因此減小。為了釐清原因，他將盒子一部分一部分拆掉，發現位於接收器火花與發射器火花之間的不透明板造成了這遮蔽現象。假若改用玻璃來分隔，也會造成這遮蔽現象，而石英則不會。經過用石英稜鏡按照波長將光波分解，仔細分析每個波長的光波所表現出的遮蔽行為，他發現是紫外線造成了光電效應。赫茲將這些實驗結果發表於《物理年鑑》，他沒有對該效應做進一步的研究。紫外線入射於火花間隙會幫助產生火花，這個發現立刻引起了物理學者們的好奇心，其中包括威廉·霍爾伐克士等等。他們進行了一系列關於光波對於帶電物體所產生效應的研究調查，特別是紫外線。這些研究調查證實，剛剛清潔乾淨的鋅金屬表面，假若帶有負電荷，不論數量有多少，當被紫外線照射時，會快速地失去這負電荷；假若電中性的鋅金屬被紫外線照射，則會很快地變為帶有正電荷，而電子會逃逸到金屬週圍的氣體中，假若吹拂強風於金屬，則可以大幅度增加帶有的正電荷數量。:61ff約翰·艾斯特 ，首先發展出第一個實用的光電真空管，能夠用來量度輻照度。:458艾斯特和蓋特爾將其用於研究光波照射到帶電物體產生的效應，獲得了巨大成果。他們將各種金屬依光電效應放電能力從大到小順序排列：銣、鉀、鈉鉀合金、鈉、鋰、鎂、鉈、鋅。對於銅、鉑、鉛、鐵、鎘、碳、汞，普通光波造成的光電效應很小，無法測量到任何效應。上述金屬排列順序與亞歷山德羅·伏打的電化學排列相同，越具正電性的金屬給出的光電效應越大。:63當時研究「赫茲效應」的各種實驗還伴隨著「光電疲勞」的現象，讓研究變得更加複雜。光電疲勞指的是從乾淨金屬表面觀察到的光電效應逐漸衰微的現象。根據霍爾伐克士的研究結果，在這現象裡，臭氧扮演了很重要的角色。可是，其它因素，例如氧化、濕度、拋光模式等等，都必須納入考量。:2391888至1891年間，史托勒托夫完成了很多關於光電效應的實驗與分析。他設計出一套實驗裝置，特別適合於定量分析光電效應。藉助此實驗裝置，他發現了輻照度與感應光電流的直接比例。另外，史托勒托夫和裡吉還共同研究了光電流與氣壓之間的關係，他們發現氣壓越低，光電流變越大，直到最優氣壓為止；低於這最優氣壓，則氣壓越低，光電流變越小。:68, 70約瑟夫·湯姆森於1897年4月30日在大不列顛皇家研究院的演講中表示，透過觀察在克魯克斯管裡的陰極射線所造成的螢光輻照度，他發現陰極射線在空氣中透射的能力遠超一般原子尺寸的粒子。，因此，他主張陰極射線是由帶負電荷的粒子組成，後來稱為電子。:404-405此後不久，透過觀察陰極射線因電場與磁場作用而產生的偏轉，他測得了陰極射線粒子的電荷質量比。1899年，他用紫外線照射鋅金屬，又測得發射粒子的電荷質量比 formula_11 為7.3×106emu/g，與先前實驗中測得的陰極射線粒子的數值7.8×106emu/g大致符合。他因此正確推斷這兩種粒子是同一種粒子，即電子。:184-185:28他還測出這粒子所載有的負電荷 formula_12 。從這兩個資料，他成功計算出了電子的質量：大約是氫離子質量的千分之一。電子是當時所知質量最小的粒子。:189二十世紀.菲利普·萊納德於1900年發現紫外線會促使氣體發生電離作用。由於這效應廣泛發生於好幾公分寬區域的空氣，並且製造出很多大顆的正離子與小顆的負離子，這現象很自然地被詮釋為光電效應發生於在氣體中的固體粒子或液體粒子，湯姆森就是如此詮釋這現象。1902年，萊納德又釋出了幾個關於光電效應的重要實驗結果。第一，藉著變化紫外光源與陰極之間的距離，他發現，從陰極發射的光電子數量每單位時間與入射的輻照度成正比。第二，使用不同的物質為陰極材料，可以顯示出，每一種物質所發射出的光電子都有其特定的最大動能，換句話說，光電子的最大動能與光波的光譜組成有關。第三，藉著調整陰極與陽極之間的電壓差，他觀察到，光電子的最大動能與截止電壓成正比，與輻照度無關。:212-220由於光電子的最大速度與輻照度無關，萊納德認為，光波並沒有給予這些電子任何能量，這些電子本來就已擁有這能量，光波扮演的角色好似觸發器，一觸即發地選擇與釋出束縛於原子裡的電子，這就是萊納德著名的「觸發假說」。:74-75在那時期，學術界廣泛接受觸發假說為光電效應的機制。可是，這假說遭遇到一些嚴峻問題，例如，假若電子本來在原子裡就已擁有了逃逸束縛與發射之後的動能，那麼，將陰極加熱應該會給予更大的動能，但是物理學者做實驗並沒有測量到任何不同結果。1905年，愛因斯坦在論文《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》裡，重新解釋光電效應，他提出光量子假設，光束是由一群離散的能量粒子組成，稱為光量子，而不是連續性波動。這光量子後來簡稱為光子。對於馬克斯·普朗克先前在研究黑體輻射中所發現的普朗克關係式，愛因斯坦給出另一種詮釋：頻率為 formula_10 的光量子擁有的能量為 formula_9 ；其中，formula_4 因子是普朗克常數。愛因斯坦認為，組成光束的每一個光量子所擁有的能量等於頻率乘以普朗克常數。假若光量子的頻率大於某極限頻率，則這光子擁有足夠能量來使得一個電子逃逸，造成光電效應。愛因斯坦的論述解釋了為甚麼光電子的能量只與頻率有關，而與輻照度無關。雖然光束的輻照度很微弱，只要頻率足夠高，必會產生一些高能量的光量子來促使束縛電子逃逸。儘管光束的輻照度很強勁，假若頻率低於極限頻率，則仍舊無法給出任何高能量的光量子來促使束縛電子逃逸。愛因斯坦的論述極具想像力與說服力，但卻遭遇到學術界強烈的抗拒，這是因為它與詹姆斯·馬克士威所表述，而且經過嚴格理論檢驗、透過精密實驗證明的光的波動理論相互矛盾，它無法解釋光波的折射性與相干性，更一般而言，它與物理系統的能量「無窮可分性假說」相互矛盾。甚至在實驗證實愛因斯坦的光電效應方程式正確無誤之後，強烈抗拒仍舊延續多年。愛因斯坦的發現開啟了量子物理的大門，愛因斯坦因為「對理論物理學的成就，特別是光電效應定律的發現」榮獲1921年諾貝爾物理學獎。愛因斯坦的論文很快地引起美國物理學者羅伯特·密立根的注意，但他也不贊同愛因斯坦的理論。之後十年，他花費很多時間做實驗研究光電效應。他發現，增加陰極的溫度，光電子最大能量不會跟著增加。他又證實光電疲勞現象是因氧化作用所產生的雜質造成，假若能夠將清潔乾淨的陰極儲存於高真空內，就不會出現這種現象了。:2381916年，他證實了愛因斯坦的理論正確無誤，並且應用光電效應直接計算出普朗克常數。密立根因為「關於基本電荷以及光電效應的工作」獲頒1923年諾貝爾物理學獎。實驗結果分析.}-光電子能譜學量度固體、氣體、液體樣品因被光束照射而發射出的光電子的動能。從光子能量 formula_9 、光電子動能 formula_39 、樣品逸出功 formula_1 ，可以得到電子在樣品裡的結合能 formula_41 ：:4-5formula_42 。在光電子能譜學發展成功之前，關於這類的資料很少，尤其是內層電子的結合能。光電子能譜學實驗通常需要在高真空內完成，否則，光電子很容易會被氣體分子散射。光束源可以是X射線管、氣體放電燈、同步輻射源等等。:14-20依據照射光束的頻率，光電子能譜學又分為X射線光電子能譜學、紫外光電子能譜學等等。不論照射光束頻率為何，每一種光電子能譜學的中心論題都是量度光電子能量做表面分析。航天器.由於光電效應，暴露於太陽輻射的航天器會累積正電荷，這現象稱為空間電荷累積。電性不平衡偶而會因為放電而損壞易毀的電子儀器，但時常會影響某些測量結果的準確性，例如，等離子密度、等離子分佈函式、電場等等。但是，這些靜電問題都具有自我限制性質，因為電壓高的物體比較不容易發射出光電子。有時候，暴露於太陽輻射的航天器會累積正電荷。主要原因是面對太陽部分與背對太陽部分之間的「差異電荷累積」的表面物質會強烈反射太陽輻射，因此降低光電效應。月球塵.陽光照射到月球表面與月球塵，會因為光電效應，促使它們帶有正電荷，因此月球塵會被月球表面排斥，靜電懸浮，在獲得電荷與釋出電荷的迴圈過程中，月球塵粒子像噴泉般地移動。夜視儀.夜視儀的最核心元件是影像管的鹼金屬薄膜或像砷化鎵一類的半導體物質，則因光電效應，光電子被發射出來，這些光電子會被靜電場加速，然後撞擊到螢光屏，又產生光子。訊號加強的達成是靠著電子加速或使用微通道板一類裝置透過二次發射促使增加電子數量。有時候，兩種方法都會一起並用。為了產生光電效應，當光子被電子吸收後，必須有足夠能量將電子從物質的導帶移至真空能級裡有詳細說明。有些像砷化鎵一類的物質，其有效電子親合勢低於導帶的能級。對於這種物質，移動到導帶的電子有足夠能量被發射出來，成為光電子。這種物質可以製成很厚的薄膜來吸收光子。這種物質稱為「負電子親合勢」物質。截面.光電效應是光子與原子之間的一種相互作用，是十二種可能的理論相互作用中的一種。:672-673假設光子能量大約為電子靜止能，則康普頓散射可能會發生。大約兩倍能量，則成對產生可能會發生。:712康普頓散射、成對產生是另外兩種競爭機制案例。對於某單獨光子與束縛電子相互作用，即使光電效應是常見反應，雖然光子已被吸收，束縛電子已被激發，仍舊無法肯定預測最終結果為何，這是因為需要透過統計性過程，才能得到最終結果。光電效應發生的機率是由相互作用的截面來量度。截面的引數是靶原子的原子序 formula_43 與光子能量。對於光子能量 formula_39 大於最高原子結合能，K電子截面 formula_45 可以如下大概估計：formula_39 小於K吸收邊限：formula_47 、formula_39 ≈ 511keV：formula_49 、formula_50 ：formula_51 。從這些公式可以觀察到，原子序越大，光電效應截面越快速變大。因此推論，高-Z物質是優良的伽瑪輻射遮蔽。這就是為甚麼鉛金屬是良好的伽瑪輻射遮蔽。"Java Applet小程式"