外光电效应

定义与物理本质

外光电效应是指当光照射到金属或金属氧化物构成的光电材料表面时，光子的能量传给材料表面的电子，若电子获得的能量足以克服材料表面对它的束缚，电子便脱离材料表面而进入外界空间。逸出的电子称为光电子，能产生该效应的材料称为光电材料。

外光电效应与内光电效应的根本区别在于：外光电效应中电子逸出物体表面进入外部空间；内光电效应中电子吸收光子能量后不逸出表面，仅引起材料电导率变化（光电导效应）或产生一定方向的电动势（光生伏特效应）。

光电效应方程

根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只给一个电子。光子能量为

式中 $h$ 为普朗克常量，$\nu$ 为光的振动频率。

一个电子要从物体中逸出，必须使光子能量大于表面逸出功 $A_0$。逸出表面的电子所具有的动能由光电效应方程给出：

式中 $m$ 为电子质量，$v$ 为电子逸出的初始速度，$A_0$ 为表面逸出功。

该方程表明：只有当 $h\nu >A_0$ 时才能发生外光电效应，即存在一个截止频率；逸出电子的动能随入射光频率增大而增大，与光强无关；光强决定单位时间内逸出的光电子数目。

光电管的结构与工作过程

光电管有真空光电管和充气光电管两类。真空光电管由一个阴极（K极）和一个阳极（A极）构成，密封在真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上并涂有光电材料，或在管内装入柱面形金属板并在其内壁涂阴极光电材料；阳极通常用金属丝弯曲成矩形、圆形或金属丝柱，置于玻璃管中央。阴极接负极、阳极接正极，两极间加有一定电压。

工作过程：光通过光窗照在阴极上，阴极发射光电子；光电子在阴极与阳极之间的电场作用下做加速运动，被高电位的阳极收集，形成光电流。光电流的大小主要取决于阴极灵敏度和入射光辐射的强度。

充气光电管结构相同，但管内充有少量惰性气体（如氩或氖）。光电子飞向阳极途中与气体原子碰撞使气体电离，电离产生的新电子与光电子一起被阳极接收，正离子向反方向运动被阴极接收，因此增大了光电流，通常能形成数倍于真空型光电管的光电流，使灵敏度增加。但充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，具有稳定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老等缺点。在自动检测仪表中，因要求受温度影响小和灵敏度稳定，一般采用真空光电管。

主要性能

光电管的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等描述。

伏安特性：在一定光照下，光电管所加电压与所产生的光电流之间的关系。光电流随入射光辐射强度（在固定光谱与接收条件下可用照度表征，符号 $E$，单位勒克斯 lx；涉及光谱变化或红外等非可见波段时应改用辐照度或光功率表征）的增加而增加；在相同光照下，一定范围内光电流随所加电压增加而增大，但电压增加到一定程度（此时所有激发出来的光电子被阳极全部收集）后，光电流不再增大，即达到饱和。

对应器件

根据外光电效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。光电倍增管利用二次电子发射实现光电流的多级放大，其工作原理基于外光电效应与二次电子发射的结合。

适用范围

外光电效应发生在金属或金属氧化物光电材料表面，要求入射光子能量大于材料逸出功。基于外光电效应的光电管适用于将光信号转换为电信号的场合，真空光电管因温度影响小、灵敏度稳定而用于自动检测仪表；随着半导体光电器件的发展，真空光电管已逐步被半导体光电器件替代。

这里 $\nu$ 为普通频率（Hz），光子能量为 $h\nu$；若使用角频率 $\omega$（rad/s），应写 $\mathrm{\hslash }\omega$。光电方程给出逸出电子的最大动能，实际电子动能有分布。