Fotoelektronu starojums — fiziskā nozīme, likumi un pielietojumi
Fotoelektronu emisijas fenomenu (vai ārējo fotoelektrisko efektu) eksperimentāli atklāja 1887. gadā Heinrihs Hercs, veicot eksperimentu atklātā dobumā. Kad Hertz ultravioleto starojumu novirzīja uz cinka dzirkstelēm, tajā pašā laikā elektriskās dzirksteles izkļūšana caur tām bija ievērojami vieglāka.
Tādējādi Par fotoelektronu starojumu var saukt elektronu emisijas procesu vakuumā (vai citā vidē) no cietiem vai šķidriem ķermeņiem uz tiem krītošā elektromagnētiskā starojuma ietekmē. Praksē nozīmīgākā ir fotoelektronu emisija no cietiem ķermeņiem — vakuumā.
1. Elektromagnētiskais starojums ar nemainīgu spektrālo sastāvu, kas krīt uz fotokatodu, izraisa piesātinātu fotostrāvu I, kuras vērtība ir proporcionāla katoda apstarojumam, tas ir, 1 sekundē izsisto (izstaroto) fotoelektronu skaits ir proporcionāls krītošā starojuma intensitāte F.
2.Katrai vielai atbilstoši tās ķīmiskajai būtībai un noteiktam virsmas stāvoklim, kas nosaka elektronu darba funkciju Ф no dotās vielas, ir fotoelektronu starojuma garo viļņu (sarkanā) robeža, t.i. , minimālā frekvence v0, zem kuras fotoelektriskais efekts nav iespējams.
3. Fotoelektronu maksimālo sākotnējo ātrumu nosaka krītošā starojuma frekvence un tas nav atkarīgs no tā intensitātes. Citiem vārdiem sakot, fotoelektronu maksimālā kinētiskā enerģija lineāri palielinās, palielinoties krītošā starojuma biežumam, un tā nav atkarīga no šī starojuma intensitātes.
Ārējā fotoelektriskā efekta likumi principā būtu strikti izpildīti tikai pie absolūtās nulles temperatūras, savukārt faktiski pie T > 0 K fotoelektronu emisija tiek novērota arī pie viļņa garumiem, kas ir garāki par robežviļņa garumu, lai gan ar nelielu skaitu izstaro elektronus. Pie ārkārtīgi augstas krītošā starojuma intensitātes (vairāk nekā 1 W / cm 2) šie likumi tiek pārkāpti, jo daudzfotonu procesu smagums kļūst acīmredzams un nozīmīgs.
Fiziski fotoelektronu emisijas fenomens ir trīs secīgi procesi.
Pirmkārt, viela absorbē krītošo fotonu, kā rezultātā vielas iekšpusē parādās elektrons, kura enerģija pārsniedz vidējo tilpumu. Šis elektrons pārvietojas uz ķermeņa virsmu un pa ceļam daļa no tā enerģijas tiek izkliedēta, jo ceļā šāds elektrons mijiedarbojas ar citiem elektroniem un kristāla režģa vibrācijām. Visbeidzot, elektrons nonāk vakuumā vai citā vidē ārpus ķermeņa, izejot cauri potenciāla barjerai uz robežas starp šīm divām vidēm.
Kā jau metāliem raksturīgi, redzamajā un ultravioletajā spektra daļā fotonus absorbē vadītspējas elektroni. Pusvadītājiem un dielektriķiem elektroni tiek ierosināti no valences joslas. Jebkurā gadījumā fotoelektronu emisijas kvantitatīvais raksturlielums ir kvantu iznākums — Y — elektronu skaits, kas emitēts uz vienu krītošo fotonu.
Kvantu iznākums ir atkarīgs no vielas īpašībām, no tās virsmas stāvokļa, kā arī no krītošo fotonu enerģijas.
Metālos fotoelektronu emisijas garā viļņa garuma robežu nosaka elektrona darba funkcija no to virsmas Lielākajai daļai tīru virsmu metālu darba funkcija ir virs 3 eV, savukārt sārmu metāliem darba funkcija ir no 2 līdz 3 eV.
Šī iemesla dēļ fotoelektronu emisiju no sārmu un sārmzemju metālu virsmas var novērot pat tad, ja tos apstaro ar fotoniem redzamajā spektra apgabalā, ne tikai UV. Kamēr parastajos metālos fotoelektronu emisija ir iespējama, tikai sākot no UV frekvencēm.
To izmanto, lai samazinātu metāla darba funkciju: uz parasta metāla tiek nogulsnēta sārmu un sārmzemju metālu plēve (monoatomiskais slānis), un tādējādi fotoelektronu emisijas sarkanā robeža tiek novirzīta uz garāku viļņu apgabalu.
Kvantu iznākums Y, kas raksturīgs metāliem tuvu UV un redzamajos apgabalos, ir mazāks par 0, 001 elektronu/fotonu, jo fotoelektronu noplūdes dziļums ir mazs, salīdzinot ar metāla gaismas absorbcijas dziļumu.Lauvas tiesa fotoelektronu izkliedē savu enerģiju pat pirms tuvojas metāla izejas robežai, zaudējot jebkādas izejas iespējas.
Ja fotona enerģija ir tuvu fotoemisijas slieksnim, tad lielākā daļa elektronu tiks ierosināti enerģijās, kas ir zemākas par vakuuma līmeni, un tie neveicinās fotoemisijas strāvu. Turklāt atstarošanas koeficients tuvu UV un redzamajos apgabalos metāliem ir pārāk augsts, tāpēc metāls vispār absorbēs tikai ļoti nelielu starojuma daļu. Tālajā UV apgabalā šīs robežas samazinās un Y sasniedz 0,01 elektronu/fotonu pie fotonu enerģijas virs 10 eV.
Attēlā parādīta fotoemisijas kvantu iznākuma spektrālā atkarība tīra vara virsmai:
Metāla virsmas piesārņojums samazina fotostrāvu un novirza sarkano robežu uz garākā viļņa garuma apgabalu; tajā pašā laikā tālākajā UV apgabalā šādos apstākļos Y var palielināties.
Fotoelektronu starojums tiek pielietots fotoelektroniskajās ierīcēs, kas pārveido dažāda diapazona elektromagnētiskos signālus elektriskās strāvās un spriegumos. Piemēram, attēlu neredzamos infrasarkanajos signālos var pārveidot par redzamu, izmantojot ierīci, kas darbojas, pamatojoties uz fotoelektronu emisijas fenomenu. Darbojas arī fotoelektronu starojums fotoelementos, dažādos elektroniski optiskajos pārveidotājos, fotopavairotājos, fotorezistoros, fotodiodēs, elektronstaru lampās u.c.
Skatīt arī:Kā notiek saules enerģijas pārvēršanas process elektroenerģijā