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电子跃迁与光电效应

电子是组成物质的重要粒子，是带有一个负元电荷的一种微观粒

子，表征符号e-，20世纪初期，美国物理学家密立根通过滴油实验

测得电子电量为-1.602X10-19库仑。电子本身是有能量的，在环绕着

原子核运动时，当电子吸收能量后，自身能量升高，进而运动半径变

大，在远离原子核位置绕核运动，同样的当电子损失能量后，绕核运动

半径会减小，在靠近原子核位置运动。这就是电子的跃迁现象，电子跃

迁的本质就是电子能量的变化。

一、电子跃迁分类

电子的跃迁一直是科学界中备受关注的问题，目前科学界普遍接

受爱因斯坦提出的跃迁的理论，爱因斯坦认为，电子可以通过以下三

种形式进行跃迁：

a）受激吸收：电子吸收外界能量进而自身能量变大，这里的从外

界吸收能量主要是指吸收外界光子能量，这部分内容我们会在下面介绍

光电效应时详细介绍。

b）自发辐射：电子在没有外界因素影响的条件下自发的从能量高

的轨道向能量低的轨道跃迁并辐射能量的过程称为自发辐射。

c）受激辐射：当电子受外界因素影响，从高能量轨道向低能量轨

道跃迁时，根据能量守恒定律，损失的能量会以光子形式向外辐射，

这个行为称为受激辐射，这也是激光的形成原因。

这些电子跃迁行为决定了电子可以以能量变化的形式，离原子核

可近可远的运动，那么当电子在进行上述各种跃迁的时候会产生什么现

象？我们对这些现象有什么实际应用呢？

二、光电效应光电材料是当今材料界最炙手可热的课题。光电材

料是绿色能源的生力军，因为他可以把光能转化为电能，这个过程清

洁环保，而且零排放零污染。同时光电材料因为其科技实现光能与电

能的转化这一神奇特性，也可以被应用于制作各类传感器、控制开关

等电器元件，光电材料背后的原理就是光电效应，

光电效应是物理学领域内的一个重要而且奇妙的现象，德国物理

学家赫兹于1887年发现了光电效应――当光照射某些物质时会有电流

产生！随后，爱因斯坦对这一现象进行了率先解释。电子吸收特定频率

的光子，实现向高能量电子轨道的跃迁，当吸收能量大于某一极限能

量时，电子将脱离原子核的吸引，向核外逃逸，形成电流。不妨这样

理解，在原子核的束缚范围内，电子绕核运动，当电子能量升高时，电

子向上跃迁，到达能量更高的轨道，可是电子能量大到一定程度时，原

子核已经不足以束缚这个高能量的电子，这个时候电子的一部分能量会

与原子核对电子的吸引力产生的势能相互抵消，电子也就脱离了核的舒

服，向更远处传播。在这个过程中，为电子提供能量的就是光子。

我们可以用一个数学表达式来描述这一过程：

上面的式子中h为普朗克常量，f为吸收光子的频率，①是电子逃

离原子所需要的最大能量，这个能量本质上就是原子的电离能，也就是

超过这个能量范围后，原子将失去电子，发生电离。EKmax是电子逃

逸出来的最大动能，如图3所示。

光电效应的发现将电磁波（光子）与粒子（电子）的结合在了一

起，直接影响了后来的“波粒二象性”理论的提出。同时光电效应也

对量子物理和材料物理等领域产生了重大而深远的影响。

三、激光产生

近几年激光领域得到了飞速的发展，称为先进科技的代名词，图四

是一束激光透过三棱镜后的折射，激光是自然界神奇美丽的瑰宝，我

们每天都生活在充满光的环境里，可我们身边的光大多是低能量的，频

率成分比较复杂的白光，如何获得高能，纯净的激光呢？

通过上面的讨论，电子可以吸收光子向能量高的轨道跃迁，甚至是

脱离原子核的束缚发生逃逸，那么电子如果从高能量的轨道向低能量的

轨道跃迁是不是会释放光子呢？答案是肯定的，众所周知，在自然界中

能量是守恒的，也就是说，电子从能量高的轨道跃迁到能量低的轨道时

必然会将多余的能量释放出来，这种释放的形式就是光子。

试想如果大量电子能够同时从同一高能量轨道向同一低能量轨道跃

迁，可以推断出，这个过程会释放出大量相同能量的光子，由波粒二

象性理论，光子的能量是由光子的频率决定的，也就是说，这个过程会

释放出大量的同一频率的光子，由光的定义可知：光是一种以光速c

运动的光子流。而对于光来说，光的颜色是光的频率决定的，这就产生

了单色性好，能量高的激光！激光是2