Promieniowanie fotoelektronowe — znaczenie fizyczne, prawa i zastosowania
Zjawisko emisji fotoelektronów (lub zewnętrznego efektu fotoelektrycznego) zostało odkryte eksperymentalnie w 1887 roku przez Heinricha Hertza podczas eksperymentu w otwartej wnęce. Kiedy Hertz skierował promieniowanie ultrafioletowe na iskry cynkowe, jednocześnie przejście przez nie iskry elektrycznej było zauważalnie łatwiejsze.
Zatem, promieniowanie fotoelektronowe można nazwać procesem emisji elektronów w próżni (lub w innym ośrodku) z ciał stałych lub ciekłych pod wpływem padającego na nie promieniowania elektromagnetycznego. Najbardziej znacząca w praktyce jest emisja fotoelektronów z ciał stałych — w próżni.
1. Promieniowanie elektromagnetyczne o stałym składzie widmowym padające na fotokatodę powoduje nasycony fotoprąd I, którego wartość jest proporcjonalna do napromieniowania katody, to znaczy liczba fotoelektronów wybitych (emitowanych) w ciągu 1 sekundy jest proporcjonalna do intensywność padającego promieniowania F.
2.Dla każdej substancji, zgodnie z jej naturą chemiczną i pewnym stanem jej powierzchni, które określają pracę wyjścia Ф elektronów z danej substancji, istnieje długofalowa (czerwona) granica promieniowania fotoelektronów, tj. , minimalna częstotliwość v0, poniżej której efekt fotoelektryczny jest niemożliwy.
3. Maksymalna prędkość początkowa fotoelektronów jest określona przez częstotliwość padającego promieniowania i nie zależy od jego natężenia. Innymi słowy, maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów rośnie liniowo wraz ze wzrostem częstotliwości padającego promieniowania i nie zależy od natężenia tego promieniowania.
Prawa zewnętrznego efektu fotoelektrycznego byłyby w zasadzie ściśle spełnione tylko w temperaturze zera absolutnego, podczas gdy w rzeczywistości przy T > 0 K emisja fotoelektronów jest obserwowana również przy długościach fal dłuższych niż długość fali odcięcia, aczkolwiek z niewielką liczbą emitujące elektrony. Przy ekstremalnie wysokim natężeniu padającego promieniowania (powyżej 1 W / cm 2 ) prawa te są również naruszane, ponieważ nasilenie procesów wielofotonowych staje się oczywiste i znaczące.
Fizycznie zjawisko emisji fotoelektronów to trzy następujące po sobie procesy.
Najpierw padający foton jest pochłaniany przez substancję, w wyniku czego w substancji pojawia się elektron o energii wyższej niż średnia objętościowa. Elektron ten przemieszcza się na powierzchnię ciała i po drodze część jego energii ulega rozproszeniu, ponieważ po drodze taki elektron oddziałuje z innymi elektronami i drganiami sieci krystalicznej. Wreszcie elektron wchodzi do próżni lub innego ośrodka na zewnątrz ciała, przechodząc przez barierę potencjału na granicy między tymi dwoma ośrodkami.
Jak to jest typowe dla metali, w widzialnej i ultrafioletowej części widma fotony są absorbowane przez elektrony przewodzące. W przypadku półprzewodników i dielektryków elektrony są wzbudzane z pasma walencyjnego. W każdym razie charakterystyką ilościową emisji fotoelektronów jest wydajność kwantowa — Y — liczba elektronów emitowanych na padający foton.
Wydajność kwantowa zależy od właściwości substancji, stanu jej powierzchni, a także od energii padających fotonów.
W metalach długofalowa granica emisji fotoelektronów jest określona przez pracę wyjścia elektronu z ich powierzchni.Większość czystych metali powierzchniowych ma pracę wyjścia powyżej 3 eV, podczas gdy praca wyjścia metali alkalicznych wynosi od 2 do 3 eV.
Z tego powodu emisję fotoelektronów z powierzchni metali alkalicznych i ziem alkalicznych można zaobserwować nawet po naświetleniu fotonami w widzialnym obszarze widma, a nie tylko UV. Podczas gdy w zwykłych metalach emisja fotoelektronów jest możliwa tylko zaczynając od częstotliwości UV.
Służy to zmniejszeniu pracy wyjścia metalu: warstewka (monoatomowa warstwa) metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych osadza się na zwykłym metalu i tym samym czerwona granica emisji fotoelektronów przesuwa się w rejon fal dłuższych.
Wydajność kwantowa Y charakterystyczna dla metali w obszarach bliskiego UV i widzialnego jest rzędu mniej niż 0,001 elektron/foton, ponieważ głębokość wycieku fotoelektronów jest niewielka w porównaniu z głębokością absorpcji światła przez metal.Lwia część fotoelektronów rozprasza swoją energię, zanim jeszcze zbliży się do granicy wyjścia metalu, tracąc jakąkolwiek szansę na wyjście.
Jeśli energia fotonu jest zbliżona do progu fotoemisji, wówczas większość elektronów będzie wzbudzana przy energiach poniżej poziomu próżni i nie będą one przyczyniać się do prądu fotoemisji. Ponadto współczynnik odbicia w obszarach bliskiego promieniowania UV i widzialnego jest zbyt wysoki dla metali, więc tylko bardzo mała część promieniowania zostanie w ogóle pochłonięta przez metal. W obszarze dalekiego UV granice te zmniejszają się i Y osiąga 0,01 elektron/foton przy energiach fotonów powyżej 10 eV.
Rysunek przedstawia zależność spektralną wydajności kwantowej fotoemisji dla powierzchni z czystej miedzi:
Zanieczyszczenie powierzchni metalu zmniejsza fotoprąd i przesuwa czerwoną granicę do regionu o większej długości fali; jednocześnie dla obszaru dalekiego UV w tych warunkach Y może wzrosnąć.
Promieniowanie fotoelektronowe znajduje zastosowanie w urządzeniach fotoelektronicznych przetwarzających sygnały elektromagnetyczne o różnych zakresach na prądy i napięcia elektryczne. Na przykład obraz w niewidzialnych sygnałach podczerwieni można przekształcić w widzialny za pomocą urządzenia działającego w oparciu o zjawisko emisji fotoelektronów. Działa również promieniowanie fotoelektronowe w fotokomórkach, w różnych przetwornikach elektroniczno-optycznych, w fotopowielaczach, fotorezystorach, fotodiodach, w lampach elektronowych itp.
Zobacz też:Jak działa proces przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną