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光电传感器基本理论之光子理论详解

2019-08-14
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摘要 为了解释光电效应这一实验事实,人们提出光是一种以光速运动的粒子流,每一个粒子称为光子,光子是具有能量的粒子。频率为hv的光则是以一群能量各为如的粒子在空间传播。

  用波动理论可以解释光的反射、折射、干涉、绕射和偏振等现象。因此人们把光的运动看成一种波动。然而用波动理论却无法解释光电效应的实验事实。按照波动理论,波是连续传播的,因此当光与金属中的电子相互作用时,电子应能连续不断地从光波获得能量。只要电子积累起足够的能量,似乎就能挣脱金属原子对它的束缚而发射出来。光越强,能量越大,积累能量的时间应该越短;光越弱,能量越小,积累能量的时间应该越长。但实验结果表明,能引起光电效应的光,它的频率ν必须大于光电效应极限频率ν0。ν0的波长λ0=c/ν0是引起光电效应的最大极限波长。λ0和ν0叫做光电效应的红限。不同材料制成的光电阴极的红限是不同的,下表中列出几种光电阴极材料的红限值。如果入射光的频率小于红限ν0,不论入射光的强弱为何,都不会发射出光电子;如果入射光频率大于红限,即使入射光很微弱,电子也会立即逸出,几乎不需要积累能量的时间。这些实验事实用波动理论是无法解释的。


  表 几种材料的红限值

  为了解释光电效应这一实验事实,人们提出光是一种以光速运动的粒子流,每一个粒子称为光子,光子是具有能量的粒子。频率为hv的光则是以一群能量各为如的粒子在空间传播。当金属中的电子吸收了入射光子的能量时,若足以克服逸出功hv那么电子就会逸出金属表面,产生光电子发射,逸出的光电子动能为:

 

  上式称为爱因斯坦光电效应方程。当mev02/2 =0时,则φ=hv。因此与红限频率所对应的临界(截止)波长为λ0= ch/φ(c为光速)。当波长小于λ0的入射光照射物质表面时,单位时间逸出的电子数i即发射的光电流Z与光强成正比,即

  

  式中,p——入射光功率;η一一外光量子效率,它与材料及表面状态有关,是波长λ的函数;e ——电子电荷量。

  应该指出,逸出功越小的物质,其热电子发射(即暗电流)也越显著,干扰噪声就越大。

  由爱因斯坦光电效应方程可以看出:

  ①光电流的大小与入射光的强度成正比;

  ②光电子的初动能只与入射光的频率有关,而与入射光强度无关;

  ③当入射光的频率低于某一极限频率(称为红限频率,随金属不同而异)时,不论光照的强弱,照射时间的长短,均无光电子产生;

  ④从光照开始到光电子被释放出来,整个过程只需10-9s以下的时间。

  以上说明,波动理论只能解释光在传播过程中的反射、折射、干涉、绕射和偏振等现象,而不能解释光电效应等现象。当把光看成粒子流以后,就能解释光电效应的各种现象。这说明光在传播过程中体现出波动性,光与物质相互作用时体现出粒子性。因此光既具有波动性又具有粒子性,这种双重性质叫做波粒二象性。

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