电子跃迁与光电效应

牟剑鹏

[摘 要]一般认为，电子是环绕在原子核外围的、带电的、质量极小的粒子，是原子的重要组成部分，也是原子分子体现不同化学性质的根本原因。电子可以与光子相互作用，发生跃迁行为并辐射或吸收能量。本文将讨论在光场作用下电子的跃迁行为，以及这些现象在实际生产中的总要应用。

[关键词]电子跃迁；光电效应；激光产生

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-1.602×10-19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，Φ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20世纪人类的一项杰出的发明，激光因其能量高，准直形好等特点，在衍生出了激光切割，激光测量，激光通信，激光医疗等等诸多的应用，激光是人类对电子跃迁的一次突破性的探索和应用。

四、展望和总结

电子的跃迁是电子与外界能量交換的一个重要形式，其他本文没提到的跃迁形式，比如自发辐射，无辐射跃迁等都有着非常广泛的应用前景，比如自发辐射，通常是电子在没有外界影响的情况下，自发的向外辐射光子并向低能量轨道跃迁的过程。这个现象辐射出的光子大多是荧光，这一现象已被应用于制造霓虹灯，荧光灯，LED（发光二极管）等发光器件，在日常生活中发挥着重要的左右，但因其理论较为复杂，本文并没有做细致分析。

电子跃迁是自然界一个神奇复杂的现象，应用电子跃迁的种种技术为人类生产生活做出了重要的贡献，令人兴奋的是，在原子分子中的电子活动这一领域内的探索并没有因为目前取得了巨大的成功而放缓步伐，随着各项研究的深入，我们有理由相信，我们的生活会因为原子物理领域的突破进展而变得更加美好！

参考文献：

[1]. 激光原理.国防工业出版社.

[2].原子物理. 高等教育出版社.