Fotoelektron-sugárzás – fizikai jelentés, törvények és alkalmazások
A fotoelektron-emisszió (vagy külső fotoelektromos hatás) jelenségét 1887-ben Heinrich Hertz fedezte fel kísérletileg egy nyitott üreges kísérlet során. Amikor a Hertz ultraibolya sugárzást irányított a cinkszikrákra, ugyanakkor észrevehetően könnyebb volt az elektromos szikra átjutása rajtuk.
És így, fotoelektronsugárzásnak nevezhetjük az elektronok vákuumban (vagy más közegben) történő kibocsátását szilárd vagy folyékony testekből a rájuk eső elektromágneses sugárzás hatására. A gyakorlatban a legjelentősebb a szilárd testek fotoelektron-emissziója – vákuumban.
1. A fotokatódra eső állandó spektrális összetételű elektromágneses sugárzás telített I fotoáramot idéz elő, melynek értéke arányos a katód besugárzásával, vagyis az 1 másodperc alatt kiütő (kibocsátott) fotoelektronok száma arányos a beeső sugárzás intenzitása F.
2.Minden egyes anyagra, kémiai természetének és felületének bizonyos állapotának megfelelően, amelyek egy adott anyagból származó elektronok Ф munkafunkcióját határozzák meg, létezik egy hosszúhullámú (vörös) fotoelektronsugárzás határértéke, azaz. , az a minimális v0 frekvencia, amely alatt a fotoelektromos hatás lehetetlen.
3. A fotoelektronok maximális kezdeti sebességét a beeső sugárzás frekvenciája határozza meg, és nem függ annak intenzitásától. Más szóval, a fotoelektronok maximális kinetikus energiája lineárisan növekszik a beeső sugárzás gyakoriságának növekedésével, és nem függ e sugárzás intenzitásától.
A külső fotoelektromos hatás törvényei elvileg csak abszolút nulla hőmérsékleten teljesülnének szigorúan, míg valójában T > 0 K mellett a vágási hullámhossznál hosszabb hullámhosszakon is megfigyelhető a fotoelektron-emisszió, igaz, kis számú hullámhosszon. elektronokat kibocsátó. Rendkívül nagy intenzitású beeső sugárzás (több mint 1 W/cm 2 ) esetén ezek a törvények is megsérülnek, mivel a többfoton folyamatok súlyossága nyilvánvalóvá és jelentőssé válik.
Fizikailag a fotoelektron-emisszió jelensége három egymást követő folyamat.
Először is, a beeső fotont elnyeli az anyag, aminek eredményeként az átlagosnál nagyobb energiájú elektron jelenik meg az anyag belsejében. Ez az elektron a test felszínére kerül, és útközben energiájának egy része disszipálódik, mert útközben egy ilyen elektron kölcsönhatásba lép más elektronokkal és a kristályrács rezgéseivel. Végül az elektron a testen kívüli vákuumba vagy más közegbe kerül, áthaladva a két közeg határán lévő potenciálgáton.
A fémekre jellemző módon a spektrum látható és ultraibolya részében a fotonokat a vezetési elektronok abszorbeálják. Félvezetők és dielektrikumok esetében az elektronokat a vegyértéksávból gerjesztik. Mindenesetre a fotoelektron-emisszió mennyiségi jellemzője a kvantumhozam – Y – a beeső fotononként kibocsátott elektronok száma.
A kvantumhozam az anyag tulajdonságaitól, felületének állapotától, valamint a beeső fotonok energiájától függ.
A fémeknél a fotoelektron-emisszió hosszú hullámhosszú határát a felületükről érkező elektron munkafunkciója határozza meg, a legtöbb tiszta felületű fém 3 eV feletti, míg az alkálifémek 2-3 eV munkafunkcióval rendelkeznek.
Emiatt az alkáli- és alkáliföldfémek felületéről fotoelektron-emisszió akkor is megfigyelhető, ha fotonokkal besugározzuk a spektrum látható tartományában, nem csak UV-sugárzással. Míg a közönséges fémekben a fotoelektron-emisszió csak az UV-frekvenciákból kiindulva lehetséges.
Ezt a fém munkafunkciójának csökkentésére használják: egy közönséges fémre egy alkáli- és alkáliföldfém-film (monoatomi réteg) rakódik le, és így a fotoelektron-emisszió vörös határa a hosszabb hullámok tartományába tolódik el.
A fémekre jellemző Y kvantumhozam a közeli UV- és a látható tartományban kisebb, mint 0,001 elektron/foton, mivel a fotoelektronok szivárgási mélysége kicsi a fém fényelnyelési mélységéhez képest.A fotoelektronok oroszlánrésze már azelőtt szétszórja az energiáját, hogy megközelítené a fém kilépési határát, elveszítve a kilépés esélyét.
Ha a fotonenergia közel van a fotoemissziós küszöbhöz, akkor a legtöbb elektron a vákuumszint alatti energiákon gerjesztődik, és nem járul hozzá a fotoemissziós áramhoz. Ráadásul a közeli UV és látható tartományban a visszaverődési együttható túl magas a fémekhez képest, így a sugárzásnak csak nagyon kis hányadát nyeli el egyáltalán a fém. A távoli UV-tartományban ezek a határértékek csökkennek, és Y 10 eV feletti fotonenergiáknál eléri a 0,01 elektron/foton értéket.
Az ábra a fotoemissziós kvantumhozam spektrális függését mutatja tiszta rézfelületre:
A fémfelület szennyeződése csökkenti a fényáramot, és a vörös határt a hosszabb hullámhosszú tartomány felé tolja el; ugyanakkor a távoli UV-tartományban ilyen körülmények között az Y növekedhet.
A fotoelektronsugárzást olyan fotoelektronikai eszközökben alkalmazzák, amelyek különböző tartományú elektromágneses jeleket alakítanak át elektromos árammá és feszültséggé. Például egy láthatatlan infravörös jelben lévő kép láthatóvá alakítható egy olyan eszközzel, amely a fotoelektron-emisszió jelenségén alapul. A fotoelektron sugárzás is működik fotocellákban, különböző elektronikai-optikai konverterekben, fotosokszorozókban, fotoellenállásokban, fotodiódákban, elektronsugárcsövekben stb.
Lásd még:Hogyan működik a napenergia elektromos energiává alakításának folyamata