光电效应

定义

光电效应指一定频率以上的光照射到金属或其他具有可逸出电子的材料表面时，电子吸收光子所携带的能量并脱离材料束缚、向外飞出的现象^[1]。逸出的电子被称为光电子，光电子在电场中定向移动所形成的电流称为光电流^[3]。

按发生部位的不同，通常把它分为外光电效应与内光电效应两类。前者表现为电子从材料表面逸出到真空或空气中；后者发生在材料内部，电子从价带被激发到导带，产生自由电子与空穴，从而改变材料的导电性能或产生电动势^[1]。光电导效应与光生伏特效应均属内光电效应的具体形式^[4]。

这一现象之所以重要，是因为它与经典电磁波理论存在直接冲突：电子逸出与否取决于入射光的频率而非总能量，且过程几乎不耗时。这些规律只能用光的粒子性加以描述，从而使光电效应成为量子力学发展的起点之一^[1]。

原理

实验结果可归纳为若干条规律。在频率一定时，饱和光电流的大小与入射光强成正比；在反向电压下光电流随电压减小而下降，直至某一遏止电压$U_c$时降为零，此时光电子的最大初动能满足$\frac{1}{2}mv_{\max}^2=eU_c$^[5]。光电子的最大初动能随入射光频率升高而增大，与光强无关；每种材料存在一个截止频率（红限），低于该频率时无论光多强都不产生光电子；从光照到电子逸出只需约$10^{-9}$秒量级的时间^[1]。

按照光量子假说，频率为$\nu$的光由能量为$h\nu$的光子组成，$h$为普朗克常数，其现代值为$6.626\times10^{-34}$ J·s。金属中的一个电子一次吸收一个完整光子，若光子能量大于使电子脱离材料所需的最小能量即逸出功$W_0$，电子就能携剩余能量逸出，故有：

此即爱因斯坦光电效应方程^[5]。由方程可推出截止频率$\nu_0=W_0/h$，逸出功越大的材料，其红限越高^[4]。

这套机制同时解释了三条实验规律：光强增大意味着单位时间入射光子数增多，逸出的光电子随之增多，饱和电流因而增大；单个光子的能量只由频率决定，所以最大初动能与光强无关；电子吸收光子是一次性完成的，无需能量积累，效应因此具有瞬时性^[4]。

flowchart LR

A[入射光子 hv] --> B{电子吸收整个光子}

B --> C{hv 大于逸出功 W0?}

C -- 否 --> D[不发射电子]

C -- 是 --> E[电子逸出，最大初动能 Ek = hv - W0]

E --> F[在阳极收集形成光电流]

在外光电效应中，光电子发射还受表面势垒影响；对砷化镓等具有负电子亲合势的半导体，导带中的电子无需额外能量即可逸出，因而适合制成较厚的光电阴极以提高吸收效率^[6]。光电子射出的方向并不严格定向，大部分接近垂直于表面飞出，与入射光方向无确定关系^[7]。

发展历程

与光电相关的现象早在19世纪已被注意。1839年，贝克勒尔在电解池中观察到光照电极可产生电流，即光生伏特效应；1873年，史密斯发现硒在光照下导电性增强，即光电导现象^[8]。这些发现揭示了光与物质电学性质之间的联系，但当时尚未形成完整的理论解释。

1887年，赫兹在做电磁波实验时注意到，放电间隙的火花长度会因紫外光照射而变化，用石英替代吸收紫外线的普通玻璃后火花长度不再缩短，现代意义上的光电效应由此被发现^[4]。此后哈耳瓦兹、斯托列托夫等人改进装置，逐步确立了放电的瞬时性、光电流与光强成正比等定量规律；1897年电子被发现后，汤姆孙与勒纳德确认了光电效应的载流子就是电子^[9]。

1905年，爱因斯坦在普朗克能量量子化观点的基础上发表论文，提出光在传播过程中也由一份份能量子组成，并用光量子假说解释了光电效应的全部实验规律。他因这一工作获得1921年诺贝尔物理学奖^[1]。

该理论在当时并未被普遍接受。密立根对光电效应进行了约十年的精密测量，1916年发表的结果表明，遏止电压与入射光频率呈线性关系，不同材料所得直线斜率一致，由斜率算出的普朗克常数与黑体辐射所得数值相符，从而验证了光电效应方程^[10]。密立根因此获得1923年诺贝尔物理学奖，光量子概念也逐步被物理学界接受^[4]。1920年前后康普顿散射实验进一步支持了光子理论^[4]。

应用

外光电效应最直接的应用是真空光电管：光照射阴极使其发射电子，由阳极收集形成电流，可用来测量和记录光强，用于光电光度计、自动控制与早期有声电影等装置^[2]。光电倍增管在此基础上设置多级打拿极，利用二次电子发射逐级倍增，增益可达$10^8$倍，能探测单光子水平的微弱光信号，广泛用于核与粒子探测、医疗设备和分析仪器。

内光电效应支撑了更广的一类器件。光伏效应是太阳能电池与硒光电池的工作基础，光电导效应则用于光敏电阻、光电二极管等，器件电阻或电流随光照变化，可用于光控开关与曝光测量^[1]。夜视仪的核心部件像增强器把微弱光经光电阴极转为电子，再加速轰击荧光屏还原为可见图像，并以微通道板等方式增强信号^[6]。

在基础研究与材料分析方面，光电子能谱学测量样品受光照射后逸出电子的动能，由结合能关系反推电子在材料中的状态，用于表面成分与电子结构分析，按激发源不同分为X射线光电子能谱与紫外光电子能谱等^[6]。半导体光电阴极还可作为高亮度电子源，用于电子加速器、自由电子激光与电子显微镜等装置^[11]。

局限

光电效应存在明确的长波限制。对给定材料，只有入射光频率高于截止频率才可能发射光电子，红外等长波光对大多数金属无法引起外光电效应，这使器件的光谱响应范围只能落在阴极材料允许的波段内^[12]。外光电效应器件还须在高真空中工作，入射光须穿过窗口，窗口材料本身也会限制可探测的波长范围^[12]。

基于外光电效应的探测器件量子效率通常明显低于半导体光电二极管，在很多波段不到50%，未被吸收的光子会带来额外量子噪声；同时其工作电压较高，普通光电管约百伏量级，光电倍增管常需千伏以上^[12]。随着半导体探测器的成熟，光电管与光电倍增管在不少场合已被更紧凑、无需真空且低压工作的器件取代，只在需要极高灵敏度与高带宽组合、或需要大面积感光面的场合仍具优势^[12]。

实际测量中还有若干因素偏离理想模型。光电管在无光照时仍有暗电流，阳极受散射光照射也会发射电子形成反向电流，导致实测光电流为零的电压并非真正的遏止电压，需要依据伏安特性曲线的转折点加以修正^[3]。此外，银氧铯等光电阴极存在疲乏现象，随使用时间增长发射能力下降，光强越强、波长越短疲乏越明显。就理论适用范围而言，光电效应方程描述的是单光子与单电子的相互作用，强光场、超短脉冲等条件下的多光子过程需要另行处理。

参见

• 光子 —— 光量子假说中的能量单元，光电效应方程以其能量$h\nu$为基础。

• 普朗克常数 —— 联系光子能量与频率的普适常数，可由光电效应实验测定。

• 逸出功 —— 电子脱离材料表面所需的最小能量，决定材料的截止频率。

• 光电倍增管 —— 利用外光电效应与二次电子发射实现微弱光信号放大的真空器件。

• 太阳能电池 —— 以光生伏特效应将光能直接转换为电能的器件。

• 波粒二象性 —— 光电效应是光具有粒子性的关键证据之一。