Fotoelektronstråling — fysisk betydning, lover og anvendelser
Fenomenet fotoelektronutslipp (eller ekstern fotoelektrisk effekt) ble oppdaget eksperimentelt i 1887 av Heinrich Hertz under et eksperiment med åpent hulrom. Da Hertz rettet ultrafiolett stråling mot sinkgnister, var samtidig passasjen av en elektrisk gnist gjennom dem merkbart lettere.
Dermed, fotoelektronstråling kan kalles prosessen med emisjon av elektroner i et vakuum (eller i et annet medium) fra faste eller flytende legemer under påvirkning av elektromagnetisk stråling som faller på dem. Den mest betydningsfulle i praksis er fotoelektronutslippet fra faste kropper - i et vakuum.
1. Elektromagnetisk stråling med konstant spektral sammensetning som faller på fotokatoden forårsaker en mettet fotostrøm I, hvis verdi er proporsjonal med bestrålingen av katoden, det vil si at antall fotoelektroner som er slått ut (utsendt) i løpet av 1 sekund er proporsjonal med intensiteten til den innfallende strålingen F.
2.For hvert stoff, i samsvar med dets kjemiske natur og med en viss tilstand av overflaten, som bestemmer arbeidsfunksjonen Ф av elektroner fra et gitt stoff, er det en langbølget (rød) grense for fotoelektronstråling, dvs. , minimumsfrekvensen v0 under hvilken den fotoelektriske effekten er umulig.
3. Den maksimale starthastigheten til fotoelektronene bestemmes av frekvensen til den innfallende strålingen og er ikke avhengig av dens intensitet. Med andre ord, den maksimale kinetiske energien til fotoelektroner øker lineært med økende frekvens av innfallende stråling og er ikke avhengig av intensiteten til denne strålingen.
Lovene for den ytre fotoelektriske effekten vil i prinsippet være strengt tilfredsstilt bare ved absolutt nulltemperatur, mens faktisk, ved T > 0 K, observeres fotoelektronutslipp også ved bølgelengder lengre enn cut-off-bølgelengden, om enn med et lite antall sender ut elektroner. Ved en ekstremt høy intensitet av innfallende stråling (mer enn 1 W / cm 2 ), blir disse lovene også brutt, siden alvorlighetsgraden av multifotonprosesser blir åpenbar og betydelig.
Fysisk er fenomenet fotoelektronutslipp tre påfølgende prosesser.
Først blir det innfallende fotonet absorbert av stoffet, som et resultat av at et elektron med energi høyere enn gjennomsnittet over volumet vises inne i stoffet. Dette elektronet beveger seg til overflaten av kroppen og underveis forsvinner en del av energien, fordi et slikt elektron på veien samhandler med andre elektroner og vibrasjoner i krystallgitteret. Til slutt går elektronet inn i et vakuum eller et annet medium utenfor kroppen, og passerer gjennom en potensiell barriere ved grensen mellom disse to mediene.
Som er typisk for metaller, i de synlige og ultrafiolette delene av spekteret, absorberes fotoner av ledningselektronene. For halvledere og dielektrika eksiteres elektroner fra valensbåndet. I alle fall er en kvantitativ karakteristikk av fotoelektronutslipp kvanteutbyttet - Y - antall elektroner som sendes ut per innfallende foton.
Kvanteutbyttet avhenger av egenskapene til stoffet, av tilstanden til overflaten, samt av energien til de innfallende fotonene.
I metaller er langbølgelengdegrensen for fotoelektronutslipp bestemt av arbeidsfunksjonen til elektronet fra overflaten.De fleste rene overflatemetaller har en arbeidsfunksjon over 3 eV, mens alkalimetaller har en arbeidsfunksjon på 2 til 3 eV.
Av denne grunn kan fotoelektronutslipp fra overflaten av alkali- og jordalkalimetaller observeres selv når de bestråles med fotoner i det synlige området av spekteret, ikke bare UV. Mens i vanlige metaller er fotoelektronutslipp bare mulig fra UV-frekvenser.
Dette brukes til å redusere arbeidsfunksjonen til metallet: en film (monoatomisk lag) av alkali- og jordalkalimetaller avsettes på et vanlig metall og dermed flyttes den røde grensen for fotoelektronutslipp til området med lengre bølger.
Kvanteutbyttet Y som er karakteristisk for metaller i nær-UV og synlige områder er i størrelsesorden mindre enn 0,001 elektron/foton fordi fotoelektronlekkasjedybden er liten sammenlignet med lysabsorpsjonsdybden til metallet.Brorparten av fotoelektronene sprer energien deres før de nærmer seg utgangsgrensen til metallet, og mister enhver sjanse for å gå ut.
Hvis fotonenergien er nær fotoemisjonsterskelen, vil de fleste elektroner bli eksitert ved energier under vakuumnivået og de vil ikke bidra til fotoemisjonsstrømmen. I tillegg er refleksjonskoeffisienten i de nære UV- og synlige områdene for høy for metaller, så bare en svært liten del av strålingen vil bli absorbert av metallet i det hele tatt. I det fjerne UV-området synker disse grensene og Y når 0,01 elektron/foton ved fotonenergier over 10 eV.
Figuren viser den spektrale avhengigheten av fotoemisjonskvanteutbyttet for en ren kobberoverflate:
Forurensning av metalloverflaten reduserer fotostrømmen og flytter den røde grensen til det lengre bølgelengdeområdet; samtidig, for den fjerne UV-regionen under disse forholdene, kan Y øke.
Fotoelektronstråling finner anvendelse i fotoelektroniske enheter som konverterer elektromagnetiske signaler av forskjellige områder til elektriske strømmer og spenninger. For eksempel kan et bilde i usynlige infrarøde signaler konverteres til et synlig ved hjelp av en enhet som fungerer på grunnlag av fenomenet fotoelektronutslipp. Fotoelektronstråling fungerer også i fotoceller, i ulike elektronisk-optiske omformere, i fotomultiplikatorer, fotomotstander, fotodioder, i elektronstrålerør, etc.
Se også:Hvordan prosessen med å konvertere solenergi til elektrisk energi fungerer