光电效应

光电效应现象,带电粒子释放或吸收材料电磁辐射。通常被定义为喷射的影响电子从一个金属板当光落在它。在一个更广泛的定义,辐射能源可能是红外可见,或紫外线光,x射线,或伽马射线;材料可能是固体、液体或气体;和粒子可能会发布离子(带电原子或分子)以及电子。这一现象在现代的发展从根本上显著物理因为令人费解的问题提出了轻子的本质与波浪般的行为采取宽厚的态度——终于解决了阿尔伯特·爱因斯坦在1905年。效果仍然是重要的研究领域材料科学来天体物理学以及形成各种有用的设备的基础。

发现和早期的工作

光电效应是1887年由德国物理学家发现的海因里希·鲁道夫·赫兹。与工作有关的无线电波,赫兹发现,当紫外线照射在两个金属电极之间的电压,光引起的电压发生变化。这光和之间的关系电(因此光电另一个德国物理学家,于1902年)是澄清菲利普•勒纳。他证明了带电粒子从金属表面时释放照亮电子,这些粒子是相同的,由英国物理学家发现了约瑟夫·约翰汤姆森在1897年。

进一步的研究表明,光电效应是一个光和物质的相互作用所无法解释的经典物理学,它描述了光作为电磁波。令人费解的观察是最大的动能发布的电子不随光的强度,如预期根据波相反的理论,但是是成比例频率的光。什么光强度确定是金属释放电子的数量(测量作为一个吗电流)。另一个令人费解的观察结果是,几乎没有时间滞后之间的到来辐射和电子的发射。

考虑领导的这些意想不到的行为阿尔伯特·爱因斯坦在1905年制定一个新的光的微粒说,每个粒子的光,或光子,包含一个固定的能量,或者量子,这取决于光的频率。特别是,一个光子携带的能量E等于hf,在那里f是光和的频率h是恒量,德国物理学家马克斯·普朗克1900年来解释波长的分布黑体辐射是电磁辐射的热的身体。也可以写在等价的关系形式E=hc/λ,c是光的速度和它的波长λ,显示一个光子的能量是其波长成反比。

爱因斯坦认为,光子将穿透物质和能量转移到一个电子。高速电子穿过金属最后出现的材料,它的动能的ϕ数量会减少功函数(类似于电子功函数),代表所需的能源金属电子逃脱。通过能量守恒这种推理,使爱因斯坦光电方程E_k=hf−ϕ,E_k是最大的出射电子的动能。

尽管爱因斯坦模型描述电子的发射照明板,他的光子假设十分激进,这不是普遍接受,直到它收到进一步的实验验证。进一步证实发生在1916年由美国物理学家非常准确的测量罗伯特•米利根验证爱因斯坦的方程和显示精度高,爱因斯坦的常数的值h是一样的普朗克常数。爱因斯坦终于获得了诺贝尔奖1921年物理学奖来解释光电效应。

在1922年,美国物理学家阿瑟·康普顿测量了x射线的波长变化与自由电子互动后,他表明,计算出的改变可能是治疗x射线的光子。康普顿获得了1927年诺贝尔物理奖。在1931年,英国数学家拉尔夫·霍华德·福勒扩展光电发射的理解建立在金属光电电流和温度之间的关系。进一步的努力表明,电磁辐射还可以发出电子绝缘体、不导电半导体各种各样的绝缘体,导电只在某些情况下。

光电原理

根据量子力学原子,电子会发生在特定的电子配置。最高的能源配置(或能带)通常被称为电子对于一个给定的材料价带,的程度很大程度上决定了材料的导电性。在一个典型的导体(金属),价带是一半充满电子,容易从原子原子,携带电流。在一个好的绝缘子,如玻璃或橡胶、价带填满,而这些价电子很少有流动性。就像绝缘体,半导体通常有其价带填满,但不像绝缘体,只需要很少的能量激发电子从价带下允许能源band-known导带高,因为任何电子兴奋能量水平相对自由。例如,“隙”硅是1.12 eV (电子伏特砷化镓),是1.42 eV。这是在能量的范围由红外线和可见光的光子,可以因此提高电子半导体导带。(相比之下,一个普通手电筒电池给予1.5 eV电子穿过它。更精力充沛的辐射是需要克服的能带在绝缘体。)根据半导体材料是如何配置的,这种辐射增强的导电性增加电流已经由外加电压(看到光电导性),或者它可能生成独立于任何外部电压源电压(看到光生伏打效应)。

光电导性来自电子释放光和从一个流的正电荷。电子的传导带对应于失踪在价带负电荷,叫做“洞。“电子和空穴电流增加时半导体是照亮。

在光生伏打效应时,会生成一个电压电子入射光所释放的分离产生的漏洞,产生不同的电势。这通常是完成通过使用一个p- - - - - -n结而不是一个纯粹的半导体。一个p- - - - - -n结发生之间的接缝p类型(积极的)n类型(负面)半导体。这些相反的区域是由不同杂质的增加生产过剩电子(n类型)或多余的孔(p类型)。照明使电子和空穴的两侧产生的结电压可以推动当前的连接,从而将光转化为电权力。

其他光电效应是由辐射引起的在更高的频率,如x射线和伽马射线。这些高能光子甚至可以释放电子在原子核附近,在那里他们是被紧紧地束缚着的。当这样一个内部电子喷射,高能量外层电子迅速下降到填补空缺。多余的能量导致排放的一个或多个额外的电子从原子,这叫做俄歇效应。

也看到在高是光子能量康普顿效应当一个,这就出现了x射线或伽马射线光子与电子碰撞。可以通过同样的原理,分析了影响管理碰撞任何两个物体之间,包括动量守恒。光子失去能量的电子,减少对应增加根据爱因斯坦的光子波长的关系E=hc/λ。当碰撞是电子和光子的部分成直角,光子的波长增加特征量称为康普顿波长,2.43×10吗⁻¹²米。