電子躍遷與光電效應

牟劍鵬

[摘 要]一般認為，電子是環繞在原子核外圍的、帶電的、質量極小的粒子，是原子的重要組成部分，也是原子分子體現不同化學性質的根本原因。電子可以與光子相互作用，發生躍遷行為并輻射或吸收能量。本文將討論在光場作用下電子的躍遷行為，以及這些現象在實際生產中的總要應用。

[關鍵詞]電子躍遷；光電效應；激光產生

電子是組成物質的重要粒子，是帶有一個負元電荷的一種微觀粒子，表征符號e-，20世紀初期，美國物理學家密立根通過滴油實驗測得電子電量為-1.602×10-19庫侖。電子本身是有能量的，在環繞著原子核運動時，當電子吸收能量后，自身能量升高，進而運動半徑變大，在遠離原子核位置繞核運動，同樣的當電子損失能量后，繞核運動半徑會減小，在靠近原子核位置運動。這就是電子的躍遷現象，電子躍遷的本質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界中備受關注的問題，目前科學界普遍接受愛因斯坦提出的躍遷的理論，愛因斯坦認為，電子可以通過以下三種形式進行躍遷：

a）受激吸收：電子吸收外界能量進而自身能量變大，這里的從外界吸收能量主要是指吸收外界光子能量，這部分內容我們會在下面介紹光電效應時詳細介紹。

b）自發輻射：電子在沒有外界因素影響的條件下自發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輻射。

c）受激輻射：當電子受外界因素影響，從高能量軌道向低能量軌道躍遷時，根據能量守恒定律，損失的能量會以光子形式向外輻射，這個行為稱為受激輻射，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，離原子核可近可遠的運動，那么當電子在進行上述各種躍遷的時候會產生什么現象？我們對這些現象有什么實際應用呢？

二、光電效應

光電材料是當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，因為他可以把光能轉化為電能，這個過程清潔環保，而且零排放零污染。同時光電材料因為其科技實現光能與電能的轉化這一神奇特性，也可以被應用于制作各類傳感器、控制開關等電器元件，光電材料背后的原理就是光電效應，

光電效應是物理學領域內的一個重要而且奇妙的現象，德國物理學家赫茲于1887年發現了光電效應——當光照射某些物質時會有電流產生！隨后，愛因斯坦對這一現象進行了率先解釋。電子吸收特定頻率的光子，實現向高能量電子軌道的躍遷，當吸收能量大于某一極限能量時，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，電子繞核運動，當電子能量升高時，電子向上躍遷，到達能量更高的軌道，可是電子能量大到一定程度時，原子核已經不足以束縛這個高能量的電子，這個時候電子的一部分能量會與原子核對電子的吸引力產生的勢能相互抵消，電子也就脫離了核的舒服，向更遠處傳播。在這個過程中，為電子提供能量的就是光子。

我們可以用一個數學表達式來描述這一過程：

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，這個能量本質上就是原子的電離能，也就是超過這個能量范圍后，原子將失去電子，發生電離。EKmax是電子逃逸出來的最大動能，如圖3所示。

光電效應的發現將電磁波（光子）與粒子（電子）的結合在了一起，直接影響了后來的“波粒二象性”理論的提出。同時光電效應也對量子物理和材料物理等領域產生了重大而深遠的影響。

三、激光產生

近幾年激光領域得到了飛速的發展，稱為先進科技的代名詞，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境里，可我們身邊的光大多是低能量的，頻率成分比較復雜的白光，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必然會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，這個過程會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，這個過程會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運動的光子流。而對于光來說，光的顏色是光的頻率決定的，這就產生了單色性好，能量高的激光！

激光是20世紀人類的一項杰出的發明，激光因其能量高，準直形好等特點，在衍生出了激光切割，激光測量，激光通信，激光醫療等等諸多的應用，激光是人類對電子躍遷的一次突破性的探索和應用。

四、展望和總結

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

電子躍遷是自然界一個神奇復雜的現象，應用電子躍遷的種種技術為人類生產生活做出了重要的貢獻，令人興奮的是，在原子分子中的電子活動這一領域內的探索并沒有因為目前取得了巨大的成功而放緩步伐，隨著各項研究的深入，我們有理由相信，我們的生活會因為原子物理領域的突破進展而變得更加美好！

參考文獻：

[1]. 激光原理.國防工業出版社.

[2].原子物理. 高等教育出版社.