Fotoelektronstråling — fysisk betydning, love og anvendelser
Fænomenet fotoelektronemission (eller ekstern fotoelektrisk effekt) blev opdaget eksperimentelt i 1887 af Heinrich Hertz under et åbent hulrumseksperiment. Når Hertz rettede ultraviolet stråling mod zinkgnister, var passagen af en elektrisk gnist gennem dem mærkbart lettere.
Dermed, fotoelektronstråling kan kaldes processen med emission af elektroner i et vakuum (eller i et andet medium) fra faste eller flydende legemer under påvirkning af elektromagnetisk stråling, der falder på dem. Den mest betydningsfulde i praksis er fotoelektronemissionen fra faste legemer - i et vakuum.
1. Elektromagnetisk stråling med en konstant spektral sammensætning, der falder på fotokatoden, forårsager en mættet fotostrøm I, hvis værdi er proportional med katodens bestråling, det vil sige, at antallet af fotoelektroner slået ud (udsendt) på 1 sekund er proportional med intensiteten af den indfaldende stråling F.
2.For hvert stof, i overensstemmelse med dets kemiske natur og med en bestemt tilstand af dets overflade, som bestemmer arbejdsfunktionen Ф af elektroner fra et givet stof, er der en langbølget (rød) grænse for fotoelektronstråling, dvs. , minimumsfrekvensen v0, under hvilken den fotoelektriske effekt er umulig.
3. Fotoelektronernes maksimale begyndelseshastighed bestemmes af frekvensen af den indfaldende stråling og afhænger ikke af dens intensitet. Med andre ord stiger den maksimale kinetiske energi af fotoelektroner lineært med stigende frekvens af indfaldende stråling og afhænger ikke af intensiteten af denne stråling.
Lovene for den ydre fotoelektriske effekt ville i princippet kun være opfyldt ved absolut nultemperatur, mens der ved T > 0 K faktisk også observeres fotoelektronemission ved bølgelængder længere end cut-off bølgelængden, dog med et lille antal udsender elektroner. Ved en ekstrem høj intensitet af indfaldende stråling (mere end 1 W / cm 2 ) bliver disse love også overtrådt, da sværhedsgraden af multifotonprocesser bliver indlysende og signifikant.
Fysisk er fænomenet fotoelektronemission tre på hinanden følgende processer.
For det første absorberes den indfaldende foton af stoffet, som et resultat af, at en elektron med energi højere end gennemsnittet over volumenet opstår inde i stoffet. Denne elektron bevæger sig til kroppens overflade og undervejs spredes en del af dens energi, fordi en sådan elektron undervejs interagerer med andre elektroner og vibrationer i krystalgitteret. Endelig kommer elektronen ind i et vakuum eller et andet medium uden for kroppen og passerer gennem en potentialbarriere ved grænsen mellem disse to medier.
Som det er typisk for metaller, absorberes fotoner i de synlige og ultraviolette dele af spektret af ledningselektronerne. For halvledere og dielektrika exciteres elektroner fra valensbåndet. Under alle omstændigheder er en kvantitativ karakteristik af fotoelektronemission kvanteudbyttet - Y - antallet af elektroner udsendt pr. indfaldende foton.
Kvanteudbyttet afhænger af stoffets egenskaber, af tilstanden af dets overflade, samt af energien af de indfaldende fotoner.
I metaller er langbølgelængdegrænsen for fotoelektronemission bestemt af elektronens arbejdsfunktion fra deres overflade De fleste rene overflademetaller har en arbejdsfunktion over 3 eV, mens alkalimetaller har en arbejdsfunktion på 2 til 3 eV.
Af denne grund kan fotoelektronemission fra overfladen af alkali- og jordalkalimetaller observeres, selv når de bestråles med fotoner i det synlige område af spektret, ikke kun UV. Mens der i almindelige metaller er fotoelektronemission kun mulig fra UV-frekvenser.
Dette bruges til at reducere metallets arbejdsfunktion: en film (monoatomisk lag) af alkali- og jordalkalimetaller aflejres på et almindeligt metal og dermed flyttes den røde grænse for fotoelektronemission til området med længere bølger.
Kvanteudbyttet Y karakteristisk for metaller i nær-UV og synlige områder er af størrelsesordenen mindre end 0,001 elektron/foton, fordi fotoelektronlækagedybden er lille sammenlignet med metallets lysabsorptionsdybde.Den største del af fotoelektronerne spreder deres energi, før de overhovedet nærmer sig metalets udgangsgrænse, og mister enhver chance for at komme ud.
Hvis fotonenergien er tæt på fotoemissionstærsklen, vil de fleste elektroner blive exciteret ved energier under vakuumniveauet, og de vil ikke bidrage til fotoemissionsstrømmen. Derudover er refleksionskoefficienten i de nære UV og synlige områder for høj for metaller, så kun en meget lille del af strålingen vil overhovedet blive absorberet af metallet. I det fjerne UV-område falder disse grænser, og Y når 0,01 elektron/foton ved fotonenergier over 10 eV.
Figuren viser den spektrale afhængighed af fotoemissionskvanteudbyttet for en ren kobberoverflade:
Forurening af metaloverfladen reducerer fotostrømmen og flytter den røde grænse til det længere bølgelængdeområde; på samme tid, for den fjerneste UV-region under disse forhold, kan Y stige.
Fotoelektronstråling finder anvendelse i fotoelektroniske enheder, der konverterer elektromagnetiske signaler af forskellige rækkevidde til elektriske strømme og spændinger. For eksempel kan et billede i usynlige infrarøde signaler omdannes til et synligt ved hjælp af en enhed, der arbejder på basis af fænomenet fotoelektronemission. Fotoelektronstråling virker også i fotoceller, i forskellige elektronisk-optiske omformere, i fotomultiplikatorer, fotomodstande, fotodioder, i elektronstrålerør osv.
Se også:Hvordan processen med at omdanne solenergi til elektrisk energi fungerer