Fotoelektronstrålning — fysisk betydelse, lagar och tillämpningar
Fenomenet fotoelektronemission (eller extern fotoelektrisk effekt) upptäcktes experimentellt 1887 av Heinrich Hertz under ett experiment med öppen kavitet. När Hertz riktade ultraviolett strålning mot zinkgnistor var samtidigt passagen av en elektrisk gnista genom dem märkbart lättare.
Således, fotoelektronstrålning kan kallas processen för emission av elektroner i ett vakuum (eller i ett annat medium) från fasta eller flytande kroppar under påverkan av elektromagnetisk strålning som faller på dem. Den viktigaste i praktiken är fotoelektronemissionen från fasta kroppar - i ett vakuum.
1. Elektromagnetisk strålning med en konstant spektral sammansättning som faller på fotokatoden orsakar en mättad fotoström I, vars värde är proportionellt mot katodens bestrålning, det vill säga antalet fotoelektroner som slås ut (emitteras) på 1 sekund är proportionellt mot intensiteten av den infallande strålningen F.
2.För varje ämne, i enlighet med dess kemiska natur och med ett visst tillstånd av dess yta, som bestämmer arbetsfunktionen Ф för elektroner från ett givet ämne, finns det en långvågig (röd) gräns för fotoelektronstrålning, dvs. , den lägsta frekvensen v0 under vilken den fotoelektriska effekten är omöjlig.
3. Fotoelektronernas maximala initiala hastighet bestäms av frekvensen av den infallande strålningen och beror inte på dess intensitet. Med andra ord, den maximala kinetiska energin för fotoelektroner ökar linjärt med ökande frekvens av infallande strålning och beror inte på intensiteten av denna strålning.
Lagarna för den externa fotoelektriska effekten skulle i princip vara strikt uppfyllda endast vid absolut nolltemperatur, medan i själva verket, vid T > 0 K, observeras fotoelektronemission även vid våglängder längre än cut-off-våglängden, om än med ett litet antal emitterar elektroner. Vid en extremt hög intensitet av infallande strålning (mer än 1 W / cm 2 ), bryts dessa lagar också, eftersom svårighetsgraden av multifotonprocesser blir uppenbar och signifikant.
Fysiskt är fenomenet fotoelektronemission tre på varandra följande processer.
Först absorberas den infallande fotonen av ämnet, vilket resulterar i att en elektron med energi högre än medelvärdet över volymen dyker upp inuti ämnet. Denna elektron rör sig till kroppens yta och längs vägen försvinner en del av dess energi, eftersom en sådan elektron på vägen interagerar med andra elektroner och vibrationer i kristallgittret. Slutligen går elektronen in i ett vakuum eller annat medium utanför kroppen och passerar genom en potentialbarriär vid gränsen mellan dessa två medier.
Som är typiskt för metaller, i de synliga och ultravioletta delarna av spektrumet, absorberas fotoner av ledningselektronerna. För halvledare och dielektrika exciteras elektroner från valensbandet. I vilket fall som helst är en kvantitativ egenskap för fotoelektronemission kvantutbytet - Y - antalet elektroner som emitteras per infallande foton.
Kvantutbytet beror på ämnets egenskaper, på tillståndet på dess yta, såväl som på energin hos de infallande fotonerna.
I metaller bestäms långvågsgränsen för fotoelektronemission av elektronens arbetsfunktion från deras yta.De flesta rena ytmetaller har en arbetsfunktion över 3 eV, medan alkalimetaller har en arbetsfunktion på 2 till 3 eV.
Av denna anledning kan fotoelektronemission från ytan av alkali- och jordalkalimetaller observeras även när de bestrålas med fotoner i det synliga området av spektrumet, inte bara UV. Medan i vanliga metaller är fotoelektronemission endast möjlig från UV-frekvenser.
Detta används för att minska metallens arbetsfunktion: en film (monoatomiskt lager) av alkali- och jordalkalimetaller avsätts på en vanlig metall och på så sätt flyttas den röda gränsen för fotoelektronemission till området för längre vågor.
Kvantutbytet Y som är karakteristisk för metaller i de nära UV och synliga områdena är i storleksordningen mindre än 0,001 elektron/foton eftersom fotoelektronläckagedjupet är litet jämfört med metallens ljusabsorptionsdjup.Lejonparten av fotoelektronerna försvinner sin energi innan de ens närmar sig metallens utgångsgräns, vilket förlorar chansen att gå ut.
Om fotonenergin är nära fotoemissionströskeln, kommer de flesta elektroner att exciteras vid energier under vakuumnivån och de kommer inte att bidra till fotoemissionsströmmen. Dessutom är reflektionskoefficienten i de nära UV och synliga områdena för hög för metaller, så endast en mycket liten del av strålningen kommer att absorberas av metallen överhuvudtaget. I det bortre UV-området minskar dessa gränser och Y når 0,01 elektron/foton vid fotonenergier över 10 eV.
Figuren visar det spektrala beroendet av fotoemissionskvantumutbytet för en ren kopparyta:
Kontaminering av metallytan minskar fotoströmmen och flyttar den röda gränsen till det längre våglängdsområdet; samtidigt, för den avlägsna UV-regionen under dessa förhållanden, kan Y öka.
Fotoelektronstrålning finner tillämpning i fotoelektroniska enheter som omvandlar elektromagnetiska signaler av olika intervall till elektriska strömmar och spänningar. Till exempel kan en bild i osynliga infraröda signaler omvandlas till en synlig med hjälp av en enhet som arbetar utifrån fenomenet fotoelektronemission. Fotoelektronstrålning fungerar också i fotoceller, i olika elektronisk-optiska omvandlare, i fotomultiplikatorer, fotoresistorer, fotodioder, i elektronstrålerör, etc.
Se även:Hur processen att omvandla solenergi till elektrisk energi fungerar