Fotoelektronsko sevanje — fizikalni pomen, zakonitosti in aplikacije
Pojav fotoelektronske emisije (ali zunanjega fotoelektričnega učinka) je leta 1887 eksperimentalno odkril Heinrich Hertz med eksperimentom z odprto votlino. Ko je Hertz usmeril ultravijolično sevanje na cinkove iskre, je bil hkrati prehod električne iskre skozi njih opazno lažji.
torej fotoelektronsko sevanje lahko imenujemo proces oddajanja elektronov v vakuumu (ali v drugem mediju) iz trdnih ali tekočih teles pod vplivom elektromagnetnega sevanja, ki pada nanje. Najpomembnejša v praksi je fotoelektronska emisija trdnih teles - v vakuumu.
1. Elektromagnetno sevanje s konstantno spektralno sestavo, ki pada na fotokatodo, povzroči nasičen fototok I, katerega vrednost je sorazmerna z obsevanjem katode, to je, da je število fotoelektronov, izločenih (emitiranih) v 1 sekundi, sorazmerno z intenzivnost vpadnega sevanja F.
2.Za vsako snov, v skladu z njeno kemijsko naravo in z določenim stanjem njene površine, ki določata delovno funkcijo Ф elektronov iz dane snovi, obstaja dolgovalovna (rdeča) meja fotoelektronskega sevanja, t.j. , najmanjša frekvenca v0, pod katero fotoelektrični učinek ni mogoč.
3. Največja začetna hitrost fotoelektronov je določena s frekvenco vpadnega sevanja in ni odvisna od njegove jakosti. Z drugimi besedami, največja kinetična energija fotoelektronov narašča linearno z naraščajočo frekvenco vpadnega sevanja in ni odvisna od intenzivnosti tega sevanja.
Zakoni zunanjega fotoelektričnega učinka bi bili načeloma strogo izpolnjeni le pri temperaturi absolutne ničle, medtem ko dejansko pri T > 0 K opazujemo fotoelektronsko emisijo tudi pri valovnih dolžinah, daljših od mejne valovne dolžine, čeprav z majhnim številom oddajanje elektronov. Pri izredno visoki intenzivnosti vpadnega sevanja (več kot 1 W / cm 2 ) so tudi ti zakoni kršeni, saj postane resnost večfotonskih procesov očitna in pomembna.
Fizikalno gledano so pojav fotoelektronske emisije trije zaporedni procesi.
Najprej snov absorbira vpadni foton, zaradi česar se znotraj snovi pojavi elektron z energijo, ki je višja od povprečne po prostornini. Ta elektron se premakne na površino telesa in na poti se del njegove energije razprši, saj na poti tak elektron interagira z drugimi elektroni in nihanji kristalne mreže. Končno elektron vstopi v vakuum ali drug medij zunaj telesa in preide skozi potencialno pregrado na meji med tema medijema.
Kot je značilno za kovine, v vidnem in ultravijoličnem delu spektra fotone absorbirajo prevodni elektroni. Pri polprevodnikih in dielektrikih se elektroni vzbujajo iz valenčnega pasu. V vsakem primeru je kvantitativna značilnost emisije fotoelektronov kvantni izkoristek — Y — število oddanih elektronov na vpadni foton.
Kvantni izkoristek je odvisen od lastnosti snovi, od stanja njene površine, pa tudi od energije vpadnih fotonov.
Pri kovinah je dolgovalovna meja emisije fotoelektronov določena z delovno funkcijo elektrona z njihove površine.Večina kovin s čisto površino ima delovno funkcijo nad 3 eV, medtem ko imajo alkalijske kovine delovno funkcijo od 2 do 3 eV.
Iz tega razloga je mogoče opazovati fotoelektronsko emisijo s površine alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin, tudi če so obsevane s fotoni v vidnem območju spektra, ne le UV. Medtem ko je pri običajnih kovinah fotoelektronsko oddajanje možno le od UV frekvenc.
S tem zmanjšamo delovno funkcijo kovine: na navadno kovino se nanese film (enoatomska plast) alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin in s tem se rdeča meja fotoelektronske emisije premakne v področje daljših valov.
Kvantni izkoristek Y, značilen za kovine v bližnjem UV in vidnem območju, je reda manj kot 0,001 elektron/foton, ker je globina uhajanja fotoelektronov majhna v primerjavi z globino absorpcije svetlobe kovine.Levji delež fotoelektronov razprši svojo energijo, še preden se približajo izstopni meji kovine, s čimer izgubijo vsako možnost za izhod.
Če je energija fotona blizu praga fotoemisije, bo večina elektronov vzbujenih pri energijah pod vakuumsko ravnjo in ne bodo prispevali k fotoemisijskemu toku. Poleg tega je odbojni koeficient v bližnjem UV in vidnem območju previsok za kovine, tako da bo kovina sploh absorbirala le zelo majhen delež sevanja. V daljnem UV območju se te meje zmanjšajo in Y doseže 0,01 elektron/foton pri energijah fotonov nad 10 eV.
Slika prikazuje spektralno odvisnost kvantnega izkoristka fotoemisije za površino čistega bakra:
Kontaminacija kovinske površine zmanjša fototok in premakne rdečo mejo na področje daljše valovne dolžine; hkrati pa se lahko za oddaljeno UV območje pod temi pogoji Y poveča.
Fotoelektronsko sevanje najde uporabo v fotoelektronskih napravah, ki pretvarjajo elektromagnetne signale različnih razponov v električne tokove in napetosti. Na primer, sliko v nevidnih infrardečih signalih lahko pretvorimo v vidno s pomočjo naprave, ki deluje na osnovi pojava fotoelektronske emisije. Deluje tudi fotoelektronsko sevanje v fotocelicah, v raznih elektronsko-optičnih pretvornikih, v fotopomnoževalcih, fotouporih, fotodiodah, v elektronskih ceveh itd.
Poglej tudi:Kako poteka proces pretvorbe sončne energije v električno