光電發射

亦稱“外光電效應”。物質(主要是金屬)在光的照射下釋放電子的現象。所釋放的電子稱為“光電子”。1887年赫茲首先發現。這一現象不能簡單地用光是一種波動來解釋；1905年愛因斯坦引入光子概念才滿意地説明了這種現象。他認為光由一羣光子組成；當每個光子的能量超過某一數值(逸出功)時，就能從被照金屬中釋放一個電子，每個電子的能量等於光子能量減去逸出功。所以光子能量越大(即波長越短)，電子速度就越大；而光子越多(即光越強)，電子數目也就越多，他的這一推斷與實驗完全符合。這就表明，光不僅具有波動性，而且具有粒子性。光電發射是電磁輻射被物體吸收的主要過程之一。利用光電發射可以製成光電真空光電管(或真空光電池)、光電攝像管、倍增管等儀器，它們在自動控制、電視等方面都有重要應用 ^[4]  。

對於給定的物質，照射光都有一個能夠產生光電效應的極限頻率。只有當照射光的頻率大於極限頻率時，才能產生光電效應。反之，不論光的強度(亦稱輻照度)多大和照射時間多長，都不會引起光電效應。對於單色光照射，當光頻率大於極限頻率時，光電流就與照射光的強度成正比，光強越強，光電流越大。利用外光電效應，可製成光電轉換器件。由於從開始光照到金屬表面放出電子的延遲時間在10^-9秒以下，即使照射光十分微弱，一經照射也即刻放出電子，所以外光電效應廣泛用於製作光電管、光電倍增管、圖像轉換器、電視攝像管等的光陰極結構 ^[5]  。

光電發射定律的依據是愛因斯坦的光量子理論：1.光輻射具有粒子性，每個光子的能量是 。只要光子能量足夠大，一個光子可以激發一個電子從發射體逸出。2.光輻射的強度越大，光子數越多，激發的電子數也越多。因此光電流與入射光強成正比。3.入射光頻率越高，光子能量越大，電子吸收光子能量後，除 了付出為逸出表面所需要的逸出功外，留下的動能越大。

光電發射的基本定律有：1.斯托列托夫定律（光電發射第一定律）：當入射光的頻率成分不變時，飽和光電流與入射的光輻射強度成正比。2.愛因斯坦定律（光電發射第二定律）：光電發射體發射的光電子的最大動能隨入射光頻率的增大而線性增加，與入射光強無關。即愛因斯坦方程

，m為光電子質量，v_max為出射光電子的初始速度，E_w為逸出功。3.光電發射的紅限：上式中令V_max=0，得

，或者是

，λ₀、v₀稱為紅閾波長和紅閾頻率。

金屬及其化合物在光的照射下釋放出電子的現象。這個現象是德國物理學家赫茲(H.R.Hertz)於1887年首先發現的。1888年俄國物理學家斯托列托夫用如圖1所示裝置研究了光電效應。圖1中S為一個抽成真空的玻璃容器，陰極K為一塊金屬或金屬氧化物乎板，A為陽極，C為一石英小窗，G是檢流計，E是電池組。當極扳受到一定強度的單色光照射時，檢流汁顯示有電流通過，若將K板與電源正極相連，A板與電源負極相連，檢流計中則無電流通過，可見被照射的金屬極板放出的是電子，稱作光電子。這些光電子在電場的作用下，不斷地由A板向A板流動形成電流，這種電流叫做光電流。

光電效應的實驗規律如下：①陰極(發射光電子的金屬材料)發射的光電子數(即光電流的大小)與入射光的強度成正比。②光電子的初動能與入射光的頻率有關，而與入射光的強度無關。入射光的頻率越高，光電子的初動能越大。③僅當照射物體的光頻率大於(或等於)某個確定值時，物體才能發出光電子，這個頻率v₀叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應的波長λ0叫做紅限波長。不同物質的極限頻率v₀和相應的紅限波長λ₀是不同的。④產生光電流的過程非常快，一般不超過10^-9秒，停止用光照射，光電流就立即消逝，這表明光電效應是瞬時的。光電效應的規律用光的波動説無法圓滿解釋。1905年愛因斯坦提出了光量子假設後，這現象才得到滿意解釋。

光也可以入射到物體內部，例如晶體內部。這時在光照射下釋放出的電子仍留在物體內部，它使物體導電性增加，這種光電效應叫做內光電效應。通常所説的光電效應是指電子逸出的現象，也叫做外光電效應。

利用光電效應制作的光電管能靈敏迅速地把光訊號轉變為電訊號。在電視、有聲電影、自動控制等方面得到廣泛應用 ^[6]  。

光電發射是一種體效應，其過程分三個步驟：第一步：體內電子吸收光子能量被激發躍遷到高能級；第二步：被激發的電子向表面運動，運動過程中會與其它電子或晶格碰撞，失去部分能量；第三步：克服表面勢壘的束縛逸出表面。

表面勢壘的產生：金屬中存在大量自由電子。在通常條件下，可能會有一部分電子克服原子核的庫侖力作用逸出表面。但這些逸出電子對金屬有感應作用，使金屬中的電荷重新分佈，在表面出現與電子等量的正電荷。逸出電子受到這種正電荷作用，動能減小，不能遠離金屬。在金屬表面形成偶電層，阻礙電子向外逸出，即表面勢壘。在半導體中，表面勢壘是由於半導體缺陷和表面晶格不連續產生的，與電子親和力有關。

實際含義與光電子譜相同。但較直接地表示外光電效應。這裏着重介紹光電子發射到真空前的物理過程。由於光子在固體中的平均自由程較長，發射光電子的始發原子可位於遠離固體表面的深處，因此光電子進入真空之前還須經歷固體內的輸運以及渡越表面這兩個階段，所以整個光電發射過程按經典模型描述時，稱為三步模型，用來定量處理發射的強度。原子的光電發射幾率相對穩定，用量子力學可精確計算不同光子能量對各個電子軌道的偶極躍遷矩陣元。其次確定始發光電子輸運到表面處的存活幾率，這種非彈性散射一般具有指數衰減的規律，以特徵散射幾率表徵其衰減長度。最後，光電子穿越表面逸入真空時還須克服表面勢壘。為此引入逃逸幾率，它是光電子動能的函數。利用三步模型可較好地對光電發射作定量分析。與此相對的是一步模型，把電子統一看作某種本徵波函數，包括原子內軌道電子的初態以及偶極躍遷至較高能量的光電子末態(通常具有平面波形式)，再處理各種勢場(由原子形成的，包括表面勢壘)所形成的散射。由於是微觀處理，無須藉助於實驗得出的宏觀能量。然而確定固體的內部勢決非易事，須作各種近似。

由於非彈性散射的光電子會從能譜中的主峯位置弛豫到伴峯中去。這些過程統稱多體效應。此光電子與其它粒子(或準粒子)相互作用而形成不同的系統組態。光電子由此具有不同的能態(不同的伴峯)。伴峯的存在給定量分析帶來困難，但通過伴峯的考察可獲得各種有用的信息 ^[7]  。

光電發射陰極是光電發射探測器中的光電發射體，是完成光電轉換的重要部件，主要作用是吸收光子能量發射光電子，它的性能好壞直接影響整個光電發射器件的性能。

主要特性參數：1.靈敏度；2.量子效率（量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法）；3.光譜響應（用光譜響應特性曲線描述光電發射陰極的光譜響應特性，光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關係曲線）；4.暗電流（熱電子發射），光電發射陰極中少數處於較高能級的電子在室温下獲得了熱能產生熱電子發射形成暗電流，光電發射陰極的暗電流與材料的光電發射閾值有關，一般光電發射陰極的暗電流極低，其強度相當於10^-16~10^-18A/cm^-2的電流密度。

光電陰極材料：良好的光電發射材料具備的條件有光的吸收係數大，光電子在體內傳輸過程中受到的能量損失小，表面勢壘低，表面逸出幾率大，要有一定電導率，以便能通過外電源來補充因光電發射所失去的電子。光電陰極材料分類有單鹼與多鹼銻化物光陰極，銀氧銫與鉍銀氧銫光陰極，紫外光陰極，III-V族元素光陰極。

金屬光電陰極材料：反射係數大、吸收係數小、碰撞損失能量大、逸出功大；光譜響應：對紫外靈敏。

半導體光電陰極材料：光吸收係數大的多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多；光譜響應：可見光和近紅外波段。對於半導體材料來説，電子的親和力對逸出功的影響非常大，減小親和力就可以減小電子逸出功，從而提高量子效率。對於單一一種半導體材料，親和力E_A> 0，能量閾值較大。用兩種不同材料可以產生負電子親和力。

光電管可分為真空光電器件和充氣光電器件。光電發射器件的特點是靈敏度高（一般積分靈敏度可達20~200 μA/lm）、穩定性好、響應速度快、噪聲小；缺點是結構複雜、工作電壓高（高達百伏到數百伏）、體積大。

光電管主要有光電陰極、玻殼和陽極三個部分組成。光電陰極是半導體光電發射材料，塗於玻殼內壁，受光照時可向外發射光電子。陽極是金屬環或金屬網，置於光電陰極的對面，加正的高電壓以收集從陰極發射出來的電子。

一種真空光電發射器件。

基本原理為：1）光子透過入射窗口入射在光電陰極上；2）光電陰極上的電子受光子激發，離開表面發射到真空中；3）光電子通過電場加速和電子光學系統聚焦入射到第一倍增級上，倍增級將發射出比入射電子數目更多的二次電子。入射電子經N級倍增級倍增後，光電子就放大N次；4）經過倍增後的二次電子由陽極收集，形成陽極光電流。