Radiația fotoelectronului — semnificație fizică, legi și aplicații
Fenomenul de emisie de fotoelectron (sau efect fotoelectric extern) a fost descoperit experimental în 1887 de Heinrich Hertz în timpul unui experiment cu cavitate deschisă. Când Hertz a direcționat radiația ultravioletă spre scântei de zinc, în același timp trecerea unei scântei electrice prin ele a fost vizibil mai ușoară.
Prin urmare, Radiația fotoelectronică poate fi numită procesul de emisie a electronilor în vid (sau în alt mediu) din corpuri solide sau lichide sub influența radiațiilor electromagnetice care cad asupra lor. Cea mai semnificativă în practică este emisia de fotoelectroni din corpurile solide - în vid.
1. Radiația electromagnetică cu o compoziție spectrală constantă care cade pe fotocatod determină un fotocurent saturat I, a cărui valoare este proporțională cu iradierea catodului, adică numărul de fotoelectroni eliminati (emiși) într-o secundă este proporțional cu intensitatea radiației incidente F.
2.Pentru fiecare substanță, în conformitate cu natura sa chimică și cu o anumită stare a suprafeței sale, care determină funcția de lucru Ф a electronilor dintr-o substanță dată, există o limită de undă lungă (roșie) a radiației fotoelectronilor, adică. , frecvența minimă v0 sub care efectul fotoelectric este imposibil.
3. Viteza maximă inițială a fotoelectronilor este determinată de frecvența radiației incidente și nu depinde de intensitatea acesteia. Cu alte cuvinte, energia cinetică maximă a fotoelectronilor crește liniar odată cu creșterea frecvenței radiației incidente și nu depinde de intensitatea acestei radiații.
Legile efectului fotoelectric extern ar fi, în principiu, strict îndeplinite numai la temperatura zero absolut, în timp ce, de fapt, la T > 0 K, emisia de fotoelectroni se observă și la lungimi de undă mai mari decât lungimea de undă de tăiere, deși cu un număr mic de emitând electroni. La o intensitate extrem de mare a radiației incidente (mai mult de 1 W / cm 2 ), aceste legi sunt, de asemenea, încălcate, deoarece severitatea proceselor multifotonice devine evidentă și semnificativă.
Din punct de vedere fizic, fenomenul de emisie de fotoelectroni este de trei procese consecutive.
În primul rând, fotonul incident este absorbit de substanță, drept urmare în interiorul substanței apare un electron cu energie mai mare decât media peste volum. Acest electron se deplasează la suprafața corpului și pe parcurs o parte din energia sa este disipată, deoarece pe parcurs un astfel de electron interacționează cu alți electroni și vibrațiile rețelei cristaline. În cele din urmă, electronul intră într-un vid sau alt mediu în afara corpului, trecând printr-o barieră de potențial la limita dintre aceste două medii.
Așa cum este tipic pentru metale, în părțile vizibile și ultraviolete ale spectrului, fotonii sunt absorbiți de electronii de conducere. Pentru semiconductori și dielectrici, electronii sunt excitați din banda de valență. În orice caz, o caracteristică cantitativă a emisiei fotoelectronilor este randamentul cuantic — Y — numărul de electroni emiși pe foton incident.
Randamentul cuantic depinde de proprietățile substanței, de starea suprafeței sale, precum și de energia fotonilor incidenti.
În metale, limita lungimii de undă a emisiei fotoelectronilor este determinată de funcția de lucru a electronului de pe suprafața lor.Majoritatea metalelor de suprafață curate au o funcție de lucru peste 3 eV, în timp ce metalele alcaline au o funcție de lucru de 2 până la 3 eV.
Din acest motiv, emisia de fotoelectroni de la suprafața metalelor alcaline și alcalino-pământoase poate fi observată chiar și atunci când sunt iradiate cu fotoni în regiunea vizibilă a spectrului, nu doar UV. În timp ce în metalele obișnuite, emisia de fotoelectroni este posibilă doar pornind de la frecvențele UV.
Aceasta este folosită pentru a reduce funcția de lucru a metalului: o peliculă (stratul monoatomic) de metale alcaline și alcalino-pământoase este depusă pe un metal obișnuit și astfel limita roșie a emisiei fotoelectronilor este deplasată în regiunea undelor mai lungi.
Randamentul cuantic Y caracteristic metalelor din regiunile aproape UV și vizibile este de ordinul mai mic de 0,001 electron/foton, deoarece adâncimea de scurgere a fotoelectronilor este mică în comparație cu adâncimea de absorbție a luminii a metalului.Cea mai mare parte a fotoelectronilor își disipă energia chiar înainte de a se apropia de limita de ieșire a metalului, pierzând orice șansă de ieșire.
Dacă energia fotonului este aproape de pragul de fotoemisie, atunci majoritatea electronilor vor fi excitați la energii sub nivelul vidului și nu vor contribui la curentul de fotoemisie. În plus, coeficientul de reflexie în regiunile apropiate UV și vizibile este prea mare pentru metale, așa că doar o fracțiune foarte mică din radiație va fi absorbită de metal. În regiunea UV îndepărtată, aceste limite scad și Y atinge 0,01 electron/foton la energii fotonice de peste 10 eV.
Figura arată dependența spectrală a randamentului cuantic al fotoemisiei pentru o suprafață de cupru pur:
Contaminarea suprafeței metalice reduce fotocurentul și deplasează limita roșie către regiunea cu lungime de undă mai mare; în același timp, pentru regiunea UV îndepărtată în aceste condiții, Y poate crește.
Radiația fotoelectronului își găsește aplicație în dispozitivele fotoelectronice care convertesc semnale electromagnetice de diferite game în curenți și tensiuni electrice. De exemplu, o imagine în semnale infraroșii invizibile poate fi convertită într-una vizibilă folosind un dispozitiv care funcționează pe baza fenomenului de emisie de fotoelectroni. Funcționează și radiația fotoelectronului în fotocelule, în diverse convertoare electronic-optice, în fotomultiplicatoare, fotorezistoare, fotodiode, în tuburi cu fascicul de electroni etc.
Vezi si:Cum funcționează procesul de transformare a energiei solare în energie electrică