第一章光電效應(yīng)

1、課程名稱：物理效應(yīng)及其應(yīng)用,物理效應(yīng)及其應(yīng)用課程簡介,、物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許許多多物理效應(yīng)，這些效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮出極大效益，派生出各種高新技術(shù)。 、利用同學(xué)們已學(xué)習(xí)過的許多物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合力、熱、電、光、磁、低溫、輻射、核物理等物理效應(yīng)，以及相互之間物理特性的轉(zhuǎn)變，理解各種經(jīng)典和現(xiàn)代物理效應(yīng)的機(jī)理。 、根據(jù)原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、載流子特性、原子能帶理論，特別是量子理論分析、解釋各種物理效應(yīng)。盡可能了解現(xiàn)代物理效應(yīng)的應(yīng)用背景 、后續(xù)傳感器技術(shù)課程的基礎(chǔ)。 參考書： 物理效應(yīng)及其應(yīng)用，陳宜生，周佩瑤，馮艷全， 天津大學(xué)出版社。,第一章光電效應(yīng),光電效應(yīng)：光照射到某些物質(zhì)上，引起物 質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化

2、的現(xiàn)象。,光具有波粒二相性：在與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)更明顯地表露出它的粒子（即光子特性）特征：,光電效應(yīng)的本質(zhì)是光子與電子相互作用的結(jié)果。,光子具有一定光譜頻率并以普朗克常數(shù)為能量單元，對外作用時(shí)表現(xiàn)為或被吸收,或改變頻率和方向； 電子帶電粒子的最小單元。在與外界作用時(shí)，能量和狀態(tài)發(fā)生變化,從束縛于局域狀態(tài)轉(zhuǎn)變到比較自由的狀態(tài)，導(dǎo)致物質(zhì)電特性的變化。,光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng),第一節(jié)外光電效應(yīng),年德國物理學(xué)家赫茲在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇妙的現(xiàn)象：當(dāng)用紫外光照射它的裝置時(shí)，電極之間發(fā)生火花要容易一些。 一年后，霍耳瓦克斯（H.Hallwachs）證明：上述現(xiàn)象是由于出現(xiàn)了帶電粒子的緣故。后

3、來人們證實(shí)了這種粒子就是電子。,外光電效應(yīng)由于光照射固體材料從表面激發(fā)出電子的現(xiàn)象(或光電發(fā)射效應(yīng)） 光電子由光的作用激發(fā)出的電子。,第一節(jié)外光電效應(yīng),將兩個(gè)金屬電極安裝在抽成真空的玻璃罩中，兩個(gè)電極之間串聯(lián)上直流電源和靈敏電流計(jì)。當(dāng)無光照射時(shí)，玻璃罩內(nèi)陰極和陽極之間的空間無載流子（即自由正負(fù)電荷），如果不考慮暗電流，電阻為無窮大，沒有電流流過。,一、單電子光電效應(yīng),當(dāng)有光照射陰極時(shí)，就有光電子從陰極飛出，在電壓作用下，飛向陽極，檢流計(jì)中便有穩(wěn)定的電流通過。,年，赫茲的助手勒納德利用各種頻率和強(qiáng)度的光，對光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了三條實(shí)驗(yàn)規(guī)律： 、當(dāng)一定頻率的光照射金屬陰極，在陰極與

4、陽極之間有足夠的加速電壓，光電流正比于光強(qiáng)。 、每一種金屬各自存在一個(gè)足以發(fā)生外光電效應(yīng)的最低頻率(紅限頻率),當(dāng)照射光的頻率 時(shí)，不會(huì)逸出光電子；當(dāng)入射光的頻率 ,不管光多么弱都會(huì)立刻發(fā)射光電子，不存在時(shí)間滯后。 、光電子從金屬表面剛逸出時(shí)最大初動(dòng)能1 / 2 m，與光的頻率有線性關(guān)系，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。,愛恩斯坦提出的光量子（光子）假說 ：,“在我看來，如果假定光的能量不連續(xù)分布于空間的話，那么，我們就可以更好地理解黑體輻射、光致發(fā)光、紫外線產(chǎn)生陰極射線以及其它涉及光的發(fā)射與轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象的結(jié)果。根據(jù)這種假設(shè)，從一點(diǎn)發(fā)出的光線傳播時(shí)，在不斷擴(kuò)大的空間范圍內(nèi)能量不是連續(xù)分布的，而是一個(gè)數(shù)目有限

5、地局限于空間中的能量量子所組成，他們在運(yùn)動(dòng)中并不分解，并且只能整個(gè)地被吸收或發(fā)射?！?外光電效應(yīng)方程（又稱著名的愛恩斯坦方程）： h = 1 / 2 m 02+ （） 其中：為金屬逸出功函數(shù)。這個(gè)方程成功地解釋了外光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和形成機(jī)理。,愛恩斯坦認(rèn)為：一束頻率為 的光可以視為一束單個(gè)粒子，能量為h 的光子流，h為普朗克常數(shù)。在光與物質(zhì)相互作用時(shí)，就是這些光子與物質(zhì)微粒之間的事情了。,逸出功：自由電子逃逸出金屬表面所需的最小能量,需要對電子所作的最小的功。,飛來的光子是一個(gè)個(gè)能量為h 的小能量包，當(dāng)它與電子碰撞并為電子所吸收時(shí)，電子獲得光子的能量，一部分用于克服金屬的束縛，開銷于逸出功，

6、余下的能量便轉(zhuǎn)成了外逸光電子的初動(dòng)能m02。既然光子與電子之間的相互作用是一一對應(yīng)的，光電子瞬息即發(fā)也就順理成章。這也是外光電效應(yīng)存在紅限頻率0的道理所作，不同的金屬逸出功不同，紅限頻率也就不同.,圖(b) 直觀地表示光電子的初動(dòng)能與光的頻率成直線關(guān)系，直線與頻率軸的交點(diǎn)對應(yīng)紅限頻率，直線的斜率是普朗克常數(shù)。密立根花了年的時(shí)間，驗(yàn)證了愛恩斯坦方程，并準(zhǔn)確地測出了普朗克常數(shù)，宣告光子的存在是無可置疑的。,應(yīng)用實(shí)例：光電倍增管,當(dāng)光照射在光電陰極上時(shí)，發(fā)射的光電子在電場作用下，經(jīng)加速后轟擊第一陽極。一個(gè)入射電子將從次陰極轟擊出多個(gè)次極電子，這稱為二次電子發(fā)射效應(yīng)。次極電子又經(jīng)過電場加速，轟擊下一個(gè)

7、陰極，產(chǎn)生更多的次極電子。如此繼續(xù)下去，最終可使電流放大倍以上到達(dá)陽極。,二、多電子光電效應(yīng),年等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與愛恩斯坦方程偏離的奇異光發(fā)射。年Teich和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的1.48eV的光子照射逸出功的鈉時(shí)，,發(fā)現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。于是，人們設(shè)想光子之間進(jìn)行了“合作”，兩個(gè)光子同時(shí)被電子吸收，得以越過表面勢壘，該種現(xiàn)象稱為雙光子光電發(fā)射。,后來，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，可以三個(gè)、多個(gè)、甚至個(gè)光子同時(shí)被電子吸收而發(fā)射光電子，稱為多電子光電發(fā)射。人們推斷：n個(gè)光電子發(fā)射過程的光電流似乎應(yīng)與光強(qiáng)的次方成正比。,第二節(jié) 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng),物質(zhì)被光照射時(shí)無電子發(fā)射

8、，但電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。 （光電導(dǎo)效應(yīng)在光電子技術(shù)課程中細(xì)述）。,第三節(jié) 光 生 伏 特 效 應(yīng),光生伏特效應(yīng)： 半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。 光電導(dǎo)效應(yīng)是以光作為動(dòng)力，使束縛電子成為自由電子，形成電子空穴對，從而改變了材料的載流子濃度，導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化。,要在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢，還需要一種將正、負(fù)載流子在空間上分離開來的機(jī)制。 根據(jù)產(chǎn)生電位差時(shí)載流子分離機(jī)理的不同，光生伏特效應(yīng)又分為丹倍（Dember）效應(yīng),光磁電效應(yīng)和PN結(jié)光生伏特效應(yīng)等情形。,一、丹倍效應(yīng),一束頻率足夠高的光照射在一塊均勻半導(dǎo)體樣品的表面，會(huì)產(chǎn)

9、生大量電子空穴對，表面層內(nèi)就有了非平衡的載流子n=p這樣，就造成了由表面指向體內(nèi)的濃度梯度。,按擴(kuò)散定律，電子和空穴形成的擴(kuò)散電流密度分別為： （）（）/ （）/,總擴(kuò)散電流密度為： 擴(kuò)（）（）/,事實(shí)上電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)不同，一般，電子擴(kuò)散的比空穴快，總擴(kuò)散電流將沿負(fù)方向，引起電荷局部積累而打破電中性狀態(tài)，使光照一面帶正電。形成了沿方向的電場，這電場又引起載流子沿方向的漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流： J漂（p） 這電流和總擴(kuò)散電流方向相反，于是總的電流密度 擴(kuò)漂（p）（p）（p）/ 達(dá)到穩(wěn)定后，電流密度，從而半導(dǎo)體中的電場： （p）/（p）（p）/ 在半導(dǎo)體中，載流子的擴(kuò)散系數(shù)與遷移率的比滿足愛

10、恩斯坦關(guān)系 : /=kT/e （p） () ep dx （p）（p）（） ,由于光生非平衡載流子擴(kuò)散速度的差異，直接引起了光照方向的電場和電位差，被稱為丹倍效應(yīng)。,二、光磁電效應(yīng),如果在垂直光照方向施加一磁場，則在半導(dǎo)體的兩側(cè)端面間產(chǎn)生電位差，這效應(yīng)稱為光磁電效應(yīng)。,光磁電效應(yīng)的機(jī)理：光在樣品表面產(chǎn)生了非平衡載流子濃度如圖（）所示，濃度梯度使載流子出現(xiàn)了定向擴(kuò)散速度（方向），磁場作用在載流子上的洛侖茲力，使正負(fù)載流子分離圖（），在兩個(gè)端面的電荷積累形成電位差圖（）和橫向電場。當(dāng)作用在載流子上的洛侖茲力與作用的電場力平衡時(shí)，電位差維持一個(gè)穩(wěn)定值。,光磁電效應(yīng)與霍爾效應(yīng)類似，但它與具有兩種載流子的

11、半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)有所不同。在霍爾效應(yīng)中，載流子的定向運(yùn)動(dòng)是外加電場引起的。兩種載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反，二者形成的電流方向相同。而在光磁電效應(yīng)中，定向運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)散引起的。兩種載流子擴(kuò)散方向相同，二者形成的電流方向相反。在垂直磁場作用下，如圖（）所示，向相反方向偏轉(zhuǎn)，效果是相互加強(qiáng)的。,對于厚度為的型半導(dǎo)體，光磁電效應(yīng)在端面間的開路電壓為： L（） （） 式中（）是表面處的非平衡空穴濃度。如果橫向兩端短路連接形成的短路電流為： （）（）,光磁電效應(yīng),表面處的非平衡載流子濃度（)0與載流子壽命有關(guān)，光磁電效應(yīng)有時(shí)被用來測量半導(dǎo)體中載流子壽命，特別是短壽命的測量。 在光磁電效應(yīng)中，如果外加磁場不垂直于軸

12、，而是斜置于平面，則磁場的分量，將與樣品內(nèi)流動(dòng)的開路電流相互作用，從而引起轉(zhuǎn)矩，這現(xiàn)象稱為光學(xué)機(jī)械效應(yīng)。,、等許多半導(dǎo)體材料都可呈現(xiàn)較明顯的光磁電效應(yīng)。利用具有這種效應(yīng)的材料。可以制造半導(dǎo)體紅外探測器。,當(dāng)光照射在距表面很近的結(jié)時(shí)，便會(huì)在結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢，這被稱為結(jié)光生伏特效應(yīng)。,1839年法國人貝克勒（Edmond Becqural）在研究電解質(zhì)電池時(shí)，觀察到光照射到電池的一個(gè)電極時(shí)，電池的電動(dòng)勢有所提高。這就是最早發(fā)現(xiàn)的光生伏特效應(yīng)，直到1876年Adams和Day利用光生伏特效應(yīng)制造出了硒光電池。,三、結(jié)光生伏特效應(yīng),在光未照射時(shí)，由于型、型材料內(nèi)部存在空穴、電子濃度差，導(dǎo)致相互擴(kuò)散。 在

13、兩區(qū)接界處形成了空間電荷層及相應(yīng)存在的由區(qū)指向區(qū)的內(nèi)建電場，阻止兩邊不同的載流子的擴(kuò)散。 從能量角度看，結(jié)處形成了一個(gè)勢壘，圖1-8(b)。因此區(qū)內(nèi)的電子和區(qū)內(nèi)的空穴要想從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入極性相反的另一個(gè)區(qū)域都需要提供能量。,光照射時(shí)，光子可進(jìn)入?yún)^(qū)，結(jié)區(qū)和區(qū)。在這三個(gè)區(qū)域光子被吸收產(chǎn)生電子空穴對。圖1-8(c)、(d)同時(shí)也存在電子與空穴的復(fù)合過程。在每個(gè)區(qū)域，非平衡的光生少數(shù)載流子起主要作用，,區(qū)：少數(shù)載流子是電子，只要在此區(qū)域所產(chǎn)生的光生電子離結(jié)區(qū)的距離小于電子的擴(kuò)散長度（指光生電子從產(chǎn)生到與空穴復(fù)合的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的平均距離），便可靠擴(kuò)散從區(qū)進(jìn)入到結(jié)區(qū)而被內(nèi)建電場內(nèi)加速趨向區(qū)； 區(qū)：空穴是少數(shù)載

14、流子，只要光生空穴離結(jié)區(qū)距離小于空穴的擴(kuò)散長度，便可靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)，被內(nèi)建電場加速趨向區(qū)； 結(jié)區(qū)：產(chǎn)生的光生電子空穴對，被 內(nèi)建電場加速并分離到結(jié)的兩邊。,在三個(gè)區(qū)域都是光子產(chǎn)生電子空穴對，靠擴(kuò)散和內(nèi)建電場實(shí)現(xiàn)正負(fù)電荷的分離，使電荷積累到結(jié)的兩邊，型側(cè)帶正電，型側(cè)帶負(fù)電，從而建立一個(gè)與原內(nèi)建電位差相反的電位差L，稱為光生電位差。在建立光生電位差的過程中，載流子移動(dòng)形成的電流稱為光生電流L,光生電位差對結(jié)來說，相當(dāng)于加上了一個(gè)正向電壓，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向電流，方向與光生電流方向相反，當(dāng)這兩個(gè)相反電流互相抵消時(shí)，在結(jié)上建立起穩(wěn)定的光生電位差oc 在光的照射下，結(jié)形成了一個(gè)能產(chǎn)生電動(dòng)勢的電源，構(gòu)成一個(gè)電

15、池，即光電池。 利用結(jié)的光敏特性，除了制作光電池外，還可以制成各種光敏二極管、光敏三極管等元器件，廣泛用于自動(dòng)控制和傳感技術(shù)中。,、光敏二極管（）,硅光敏二極管， 為光生電流，為結(jié)動(dòng)態(tài)電阻， 為結(jié)電容，為串聯(lián)電阻。 光敏二極管的動(dòng)態(tài)電阻隨結(jié)電壓變化很大，結(jié)電容與負(fù)載電阻構(gòu)成時(shí)間常數(shù)限制光敏二極管的響應(yīng)速度。 光敏二極管有三種工作方式： ）光電導(dǎo)方式：工作方式是在結(jié)外加反向偏置電壓；動(dòng)態(tài)電阻大，負(fù)載電阻可根據(jù)需求選擇； ）光伏短路方式：光敏二極管無需偏置電壓 ；輸出不含暗電流，線性范圍寬，適于弱光檢測； ）光伏開路方式：如圖所示，光敏二極管工作時(shí)，要求負(fù)載電阻，其輸出電壓為圖示的斷路電壓。（對數(shù)

16、關(guān)系，響應(yīng)慢）。,、光敏三極管,光敏三級管具有放大功能，可以獲得比光敏二極管大的多的光電流，它有無基極引線和有基極引線兩種類型。有基極引線的光敏三級管可通過改變基極偏置電壓來調(diào)制工作點(diǎn)進(jìn)入線性區(qū)，并能減少發(fā)射極電阻，以改善弱光條件下的頻率特性。,光敏三級管: 以集電結(jié)為光敏二極管，靠光注入載流子在其上產(chǎn)生的光電流加以放大，于集電極回路輸出。,光敏三級管的光電流（集電極電流）與集電極電壓的曲線類似于半導(dǎo)體三極管，只需將半導(dǎo)體三極管的基極電流參數(shù)換成光強(qiáng)參數(shù)即可。,光敏三極管的應(yīng)用：,光敏三級管輸出信號(hào)大，在自動(dòng)控制和測量中有許多應(yīng)用，而且還能與發(fā)光二極管一起構(gòu)成復(fù)合型光電器件、如光敏物位傳感器、

17、光電耦合器等。 圖表示了遮光式圖（）、（）和反光式圖（）（） 物位傳感器的示意結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)。物位傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和電氣控制方面有廣泛應(yīng)用，如在計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器中的寫保護(hù)、磁道檢測，對軟盤索引的檢測都用到光電物位傳感器。產(chǎn)品自動(dòng)計(jì)數(shù)、包裹自動(dòng)分理、信件郵編自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)生產(chǎn)線物位測量與控制、光電編碼器、光電測速傳感器、光電隔離器、家用電器等方面，都可見到光敏物位傳感器的應(yīng)用。,、光敏二極管,為了提高光敏二極管的響應(yīng)速度，應(yīng)減少結(jié)的結(jié)電容在結(jié)之間設(shè)置一個(gè)高電阻率的層能達(dá)到這一目的。如圖1-12所示，在型硅片上制作一層含雜質(zhì)少的高組層，而在該層上形成薄的層。入射的光由很薄的層照射到較厚的層，大部分

18、光被層吸收，激起光生載流子形成光電流。這使光敏二極管能有高的轉(zhuǎn)換效率。,另外，工作時(shí)光敏管加有較高的反向偏置電壓，使結(jié)的阻擋層加寬，也大大加強(qiáng)了阻擋層中光生載流子的加速電場（約），大幅度減少了載流子在結(jié)內(nèi)的漂移時(shí)間，從而響應(yīng)速度大為提高。光敏二極管具有響應(yīng)速度快（s以下）、靈敏度高、線性較好三大優(yōu)點(diǎn)，可用于光存儲(chǔ)器讀出裝置、遙控裝置、伺服跟蹤信號(hào)檢測器、光通信等方面。,、雪崩光敏二極管（）,雪崩光敏二極管是為提高光探測器靈敏度所作的努力，如果把一般光敏二極管比作真空管，那么雪崩光敏二極管就好似真空光電倍增管。 雪崩光敏二極管的基片材料目前多采用硅和鍺。其結(jié)構(gòu)是在型基片上制作層，再在上面配置高摻

19、雜濃度的薄層。光線通過層，進(jìn)入層，產(chǎn)生光生載流子。,由于結(jié)上加有近于擊穿電壓的反向偏置電壓，致使區(qū)存在很強(qiáng)的電場（約），區(qū)的光生載流子被急劇加速，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料禁帶寬度，從而引起碰撞電離，產(chǎn)生新的載流子。這些新生載流子又被加速，又產(chǎn)生更多新的載流子。這一鏈?zhǔn)竭^程使載流子數(shù)目雪崩式地急劇增長。,這種光電流的內(nèi)部放大機(jī)制使雪崩光敏二極管具有很高的靈敏度。 由于這種光敏元件靈敏度高，響應(yīng)快，被用于光纖通訊的受光裝置和光磁盤的受光裝置來處理弱光信號(hào)。用反向偏置的結(jié)除了形成上面一些光敏器件外，還可以作成光控閘流管、色敏器件等。,四、貝克勒（）效應(yīng),將兩個(gè)同樣的電極浸在電解液中。讓其中的一個(gè)被光照射，那

20、么，在兩個(gè)電極間將產(chǎn)生電位差，這稱為貝克勒效應(yīng)。 如圖（）所示,最近，為了制造出廉價(jià)的太陽能電池，科學(xué)家想模仿葉綠素的光合作用。如圖所示，兩個(gè)電極與電解質(zhì)溶液接觸。其中的一個(gè)透明電極上覆蓋著一層二氧化鈦粒子，再在其上覆蓋一層特制的釕基燃料，這種染料有類似葉綠素的性質(zhì)。光敏染料分子象小型天線那樣吸收入射光子，將電釋放給下面的二氧化鈦。這些電子經(jīng)過透明電極、外電路、電解質(zhì)再返回染料。將化學(xué)電池、光伏特效應(yīng)結(jié)合起來可能會(huì)有光明的前途。制造出廉價(jià)高效的太陽能電池是解決地球上能源問題的途徑之一。,該效應(yīng)是發(fā)現(xiàn)最早的光伏特效應(yīng)。前面提及的幾個(gè)光生伏特效應(yīng)是在固體中發(fā)生的。貝克勒效應(yīng)是在液體中的光生伏特效應(yīng)

21、。這種效應(yīng)已,被用來制成實(shí)用化的感光電池。,五、光子牽引效應(yīng),如圖所示，當(dāng)一束光子能量還不足以引起電子空穴產(chǎn)生的激光照射在一塊樣品上時(shí)，可以沿光束傳播的方向，在樣品的兩個(gè)側(cè)端面上，建立起電位差，其大小與光功率成正比。這種現(xiàn)象稱為光子牽引效應(yīng)。,光子具有動(dòng)量。當(dāng)光子與材料中的載流子相互碰撞時(shí)，可以將動(dòng)量傳遞給載流子，因而在光束方向引起載流于的定向運(yùn)動(dòng)，在端面形成電荷累積，產(chǎn)生附加電場，當(dāng)附加電場對載流子的電場力與光子產(chǎn)生的沖力平衡時(shí)，便建立起穩(wěn)定的電位差VL。 與前面提到的光電效應(yīng)不同，那些效應(yīng)都涉及到載流子的產(chǎn)生，都是光子能量轉(zhuǎn)移給電子，而這里不顧及載流于的產(chǎn)生，將光子的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子,這種轉(zhuǎn)

22、移發(fā)生很快。此類光探測器具有快速的響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間約）,第四節(jié) 俄 歇 效 應(yīng),1925年法國人俄歇（M.P.Auger）在威爾遜云霧室中，用X射線研究電離惰性氣體的光電效應(yīng)。預(yù)想是X射線光子能量越高，逸出光電子的初動(dòng)能越大，在云霧室中形成的軌跡應(yīng)該越長。可他卻沿著X射線方向觀察到了雙電子徑跡現(xiàn)象。這兩條徑跡從同一點(diǎn)發(fā)出，其中一條徑跡的長度隨X射線光子能量的增加而增加，可以用原子內(nèi)殼層光電子發(fā)射來解釋；而另一條電子徑跡的長度，不隨X射線光子能量變化，卻同被照射原子類型有關(guān)，不能用光電效應(yīng)來解釋。后來稱造成這種徑跡的電子為俄歇電子。,在發(fā)射光電子后，發(fā)射俄歇電子，使原子、分子成為高階離子的現(xiàn)象稱為

23、俄歇效應(yīng)。,俄歇電子的產(chǎn)生過程,以氬原子為例：,能量大于K殼層電子結(jié)合能的光子或電子與氬原子碰撞，轟擊出K殼層的束縛電子，留下一個(gè)空穴，如圖1- (b)所示，K殼層被電離。這時(shí)，原子內(nèi)電子分布失去平衡，縱使靜電力也會(huì)促使較外層的電子來填補(bǔ)這個(gè)空穴。較外層電子能量比內(nèi)層高，當(dāng)它為填補(bǔ)空穴躍遷到內(nèi)層時(shí)，應(yīng)將多余的能量釋放出去。,解釋的方法有兩種： 一種是以光子形式輻射，如發(fā)射軟X射線； 另一種是非輻射能量轉(zhuǎn)移，將能量轉(zhuǎn)移給另一個(gè)電子，得到能量的這個(gè)電子從原子中發(fā)射出來，這就是我們所說的俄歇電子。,多重能級之間電子躍遷產(chǎn)生多俄歇電子發(fā)射,俄歇電子的發(fā)射，可以理解成在電子填充空穴的過程中，電子之間存在

24、庫侖力，使它們在能級之間躍遷，并彼此交換能量。一個(gè)電子能量的降低，伴隨著另一電子能量的增高，這躍遷過程就是所謂的俄歇效應(yīng)。,固體能帶中俄歇電子的發(fā)射,俄歇電子能譜的應(yīng)用,用俄歇電子譜儀能對氣體進(jìn)行元素分析和分子類型分析，也可進(jìn)行電離過程研究。俄歇電子譜儀能成功地進(jìn)行固體表面的成分分析，還可以分析表面發(fā)生的吸附、脫附、擴(kuò)散、催化反應(yīng)，薄膜生長、表面污染等。俄歇電子譜儀有靈敏度高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，在表面物理、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化劑、冶金、電子等諸多領(lǐng)域有很多重要應(yīng)用。,第五節(jié) 康 普 頓 效 應(yīng) 與 逆 康 普 頓 效 應(yīng),康普頓（A.H. Compton）在1922一1923年間研究物質(zhì)對X射

25、線的散射，如圖1-17所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):,如果將X射線視為電磁波，X光的散射歸因于物質(zhì)中電子的受迫振動(dòng)，散射光波長應(yīng)當(dāng)?shù)扔谌肷涔獠ㄩL，因此，光的波動(dòng)理論不能解釋康普頓效應(yīng)。但將光視為光子流的光量子論可以圓滿地解釋這個(gè)效應(yīng)。,將一束X 射線投射在石墨上，從不同方位用X 射線譜儀來測量散射的X射線。在散射的X 射線中，除有原波長 的射線外，還有波長 的射線。這種波長改變的散射，稱為康普頓效應(yīng). 由康普頓觀察并提出了理論解釋，。,我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)，從1924一1926年間（當(dāng)時(shí)他是康普頓的研究生），進(jìn)一步觀察X 射線對各種物質(zhì)的散射實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)散射X 射線波長的改變 ，與入射X 射線的波長和散射物質(zhì)無

26、關(guān)，只與散射方位有關(guān)， 與散射角 之間有下列簡單關(guān)系： 2 sin 2 / 2 式中：0.00241nm，是實(shí)驗(yàn)得出的常數(shù)。相當(dāng)散射角 / 2 時(shí)的波長改變。,光束視為光子束。X射線與物質(zhì)的相互作用就可看作光子與實(shí)物微粒的碰撞過程。X射線光子與原子外層電子碰撞，因外層電子與原子核聯(lián)系較弱，很易在X射線作用下離開原子，X射線散射就可近似看作光子與自由電子完全彈性碰撞的過 程。碰撞前后光子和電子的總動(dòng)量守恒，總能量也守恒。要注意的是光子是以光速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)按相對論來考慮問題， 光子的能量為 ，由質(zhì)能關(guān)系Em C 2，得光子質(zhì)量 m C2,光子動(dòng)量： p m C C / ,碰撞前、碰撞后總能量守恒，總動(dòng)

27、量守恒分別可寫為： m 0 C 2 m C2 （a） p p m （b）,利用（a）、（6）二式可得，散射X射線的波長改變 2 / m 0 C sin2 / 2 （c）,式中: m m 0 /（1 / c）1 / 2， m 0為電子靜止質(zhì)量， m 0 C 2電子靜止能， m C 2是電子速度為V時(shí)的能量。 p / ， p / 分別表示碰撞前、碰撞后光子的動(dòng)量。,如果光子與被原子核緊緊束縛的電子碰撞，這就相當(dāng)于與整個(gè)原子碰撞，上式中電子的靜止質(zhì)量 m0 就要用原子的質(zhì)量取代。這樣，將變得很小，光子不會(huì)明顯的改變能量或波長，,所以在散射中仍可觀察到與入射光波長相同的成份，如圖1-18所示，這入射波長 的位置正好可用來作為度量 的參考。,由于電子既不是完全自由的，也不是靜止的。所以散射光不僅僅出現(xiàn)正好兩個(gè)波長（或兩條強(qiáng)度線）而是有如圖118那樣按波長分布的輪廓線。實(shí)驗(yàn)還表明，輪廓線峰的高低、寬窄、形狀與元素的原子序數(shù)之有關(guān)，直接反映了物質(zhì)內(nèi)部電子動(dòng)量的分布。,康普頓效應(yīng)涉及高能光子與低能電子的碰撞，碰撞的結(jié)果是使光子部分能量轉(zhuǎn)