電子躍遷與光電效應(yīng)

牟劍鵬

[摘 要]一般認(rèn)為，電子是環(huán)繞在原子核外圍的、帶電的、質(zhì)量極小的粒子，是原子的重要組成部分，也是原子分子體現(xiàn)不同化學(xué)性質(zhì)的根本原因。電子可以與光子相互作用，發(fā)生躍遷行為并輻射或吸收能量。本文將討論在光場(chǎng)作用下電子的躍遷行為，以及這些現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)中的總要應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]電子躍遷；光電效應(yīng)；激光產(chǎn)生

電子是組成物質(zhì)的重要粒子，是帶有一個(gè)負(fù)元電荷的一種微觀粒子，表征符號(hào)e-，20世紀(jì)初期，美國(guó)物理學(xué)家密立根通過滴油實(shí)驗(yàn)測(cè)得電子電量為-1.602×10-19庫(kù)侖。電子本身是有能量的，在環(huán)繞著原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)電子吸收能量后，自身能量升高，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)半徑變大，在遠(yuǎn)離原子核位置繞核運(yùn)動(dòng)，同樣的當(dāng)電子損失能量后，繞核運(yùn)動(dòng)半徑會(huì)減小，在靠近原子核位置運(yùn)動(dòng)。這就是電子的躍遷現(xiàn)象，電子躍遷的本質(zhì)就是電子能量的變化。

一、電子躍遷分類

電子的躍遷一直是科學(xué)界中備受關(guān)注的問題，目前科學(xué)界普遍接受愛因斯坦提出的躍遷的理論，愛因斯坦認(rèn)為，電子可以通過以下三種形式進(jìn)行躍遷：

a）受激吸收：電子吸收外界能量進(jìn)而自身能量變大，這里的從外界吸收能量主要是指吸收外界光子能量，這部分內(nèi)容我們會(huì)在下面介紹光電效應(yīng)時(shí)詳細(xì)介紹。

b）自發(fā)輻射：電子在沒有外界因素影響的條件下自發(fā)的從能量高的軌道向能量低的軌道躍遷并輻射能量的過程稱為自發(fā)輻射。

c）受激輻射：當(dāng)電子受外界因素影響，從高能量軌道向低能量軌道躍遷時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，損失的能量會(huì)以光子形式向外輻射，這個(gè)行為稱為受激輻射，這也是激光的形成原因。

這些電子躍遷行為決定了電子可以以能量變化的形式，離原子核可近可遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)，那么當(dāng)電子在進(jìn)行上述各種躍遷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？我們對(duì)這些現(xiàn)象有什么實(shí)際應(yīng)用呢？

二、光電效應(yīng)

光電材料是當(dāng)今材料界最炙手可熱的課題。光電材料是綠色能源的生力軍，因?yàn)樗梢园压饽苻D(zhuǎn)化為電能，這個(gè)過程清潔環(huán)保，而且零排放零污染。同時(shí)光電材料因?yàn)槠淇萍紝?shí)現(xiàn)光能與電能的轉(zhuǎn)化這一神奇特性，也可以被應(yīng)用于制作各類傳感器、控制開關(guān)等電器元件，光電材料背后的原理就是光電效應(yīng)，

光電效應(yīng)是物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要而且奇妙的現(xiàn)象，德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)——當(dāng)光照射某些物質(zhì)時(shí)會(huì)有電流產(chǎn)生！隨后，愛因斯坦對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了率先解釋。電子吸收特定頻率的光子，實(shí)現(xiàn)向高能量電子軌道的躍遷，當(dāng)吸收能量大于某一極限能量時(shí)，電子將脫離原子核的吸引，向核外逃逸，形成電流。不妨這樣理解，在原子核的束縛范圍內(nèi)，電子繞核運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子能量升高時(shí)，電子向上躍遷，到達(dá)能量更高的軌道，可是電子能量大到一定程度時(shí)，原子核已經(jīng)不足以束縛這個(gè)高能量的電子，這個(gè)時(shí)候電子的一部分能量會(huì)與原子核對(duì)電子的吸引力產(chǎn)生的勢(shì)能相互抵消，電子也就脫離了核的舒服，向更遠(yuǎn)處傳播。在這個(gè)過程中，為電子提供能量的就是光子。

我們可以用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述這一過程：

上面的式子中h為普朗克常量，f為吸收光子的頻率，Φ是電子逃離原子所需要的最大能量，這個(gè)能量本質(zhì)上就是原子的電離能，也就是超過這個(gè)能量范圍后，原子將失去電子，發(fā)生電離。EKmax是電子逃逸出來的最大動(dòng)能，如圖3所示。

光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)將電磁波（光子）與粒子（電子）的結(jié)合在了一起，直接影響了后來的“波粒二象性”理論的提出。同時(shí)光電效應(yīng)也對(duì)量子物理和材料物理等領(lǐng)域產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響。

三、激光產(chǎn)生

近幾年激光領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展，稱為先進(jìn)科技的代名詞，圖四是一束激光透過三棱鏡后的折射，激光是自然界神奇美麗的瑰寶，我們每天都生活在充滿光的環(huán)境里，可我們身邊的光大多是低能量的，頻率成分比較復(fù)雜的白光，如何獲得高能，純凈的激光呢？

通過上面的討論，電子可以吸收光子向能量高的軌道躍遷，甚至是脫離原子核的束縛發(fā)生逃逸，那么電子如果從高能量的軌道向低能量的軌道躍遷是不是會(huì)釋放光子呢？答案是肯定的，眾所周知，在自然界中能量是守恒的，也就是說，電子從能量高的軌道躍遷到能量低的軌道時(shí)必然會(huì)將多余的能量釋放出來，這種釋放的形式就是光子。

試想如果大量電子能夠同時(shí)從同一高能量軌道向同一低能量軌道躍遷，可以推斷出，這個(gè)過程會(huì)釋放出大量相同能量的光子，由波粒二象性理論，光子的能量是由光子的頻率決定的，也就是說，這個(gè)過程會(huì)釋放出大量的同一頻率的光子，由光的定義可知：光是一種以光速c運(yùn)動(dòng)的光子流。而對(duì)于光來說，光的顏色是光的頻率決定的，這就產(chǎn)生了單色性好，能量高的激光！

激光是20世紀(jì)人類的一項(xiàng)杰出的發(fā)明，激光因其能量高，準(zhǔn)直形好等特點(diǎn)，在衍生出了激光切割，激光測(cè)量，激光通信，激光醫(yī)療等等諸多的應(yīng)用，激光是人類對(duì)電子躍遷的一次突破性的探索和應(yīng)用。

四、展望和總結(jié)

電子的躍遷是電子與外界能量交換的一個(gè)重要形式，其他本文沒提到的躍遷形式，比如自發(fā)輻射，無輻射躍遷等都有著非常廣泛的應(yīng)用前景，比如自發(fā)輻射，通常是電子在沒有外界影響的情況下，自發(fā)的向外輻射光子并向低能量軌道躍遷的過程。這個(gè)現(xiàn)象輻射出的光子大多是熒光，這一現(xiàn)象已被應(yīng)用于制造霓虹燈，熒光燈，LED（發(fā)光二極管）等發(fā)光器件，在日常生活中發(fā)揮著重要的左右，但因其理論較為復(fù)雜，本文并沒有做細(xì)致分析。

電子躍遷是自然界一個(gè)神奇復(fù)雜的現(xiàn)象，應(yīng)用電子躍遷的種種技術(shù)為人類生產(chǎn)生活做出了重要的貢獻(xiàn)，令人興奮的是，在原子分子中的電子活動(dòng)這一領(lǐng)域內(nèi)的探索并沒有因?yàn)槟壳叭〉昧司薮蟮某晒Χ啪彶椒?，隨著各項(xiàng)研究的深入，我們有理由相信，我們的生活會(huì)因?yàn)樵游锢眍I(lǐng)域的突破進(jìn)展而變得更加美好！

參考文獻(xiàn)：

[1]. 激光原理.國(guó)防工業(yè)出版社.

[2].原子物理. 高等教育出版社.