Fotoelektronkiirgus — füüsikaline tähendus, seadused ja rakendused
Fotoelektronide emissiooni (või välise fotoelektrilise efekti) fenomeni avastas eksperimentaalselt 1887. aastal Heinrich Hertz avatud õõnsusega katse käigus. Kui Hertz suunas ultraviolettkiirgust tsingi sädemetele, oli samal ajal elektrisädeme läbipääs neist märgatavalt lihtsam.
Seega fotoelektronkiirgust võib nimetada elektronide emissiooniks vaakumis (või muus keskkonnas) tahketest või vedelatest kehadest neile langeva elektromagnetilise kiirguse mõjul. Praktikas on kõige olulisem tahkete kehade fotoelektronide emissioon vaakumis.
1. Fotokatoodile langev konstantse spektraalse koostisega elektromagnetkiirgus põhjustab küllastunud fotovoolu I, mille väärtus on võrdeline katoodi kiirgusega, st 1 sekundi jooksul välja löödud (väljastatud) fotoelektronide arv on võrdeline langeva kiirguse intensiivsus F.
2.Igale ainele, vastavalt tema keemilisele olemusele ja pinna teatud olekule, mis määravad antud aine elektronide tööfunktsiooni Ф, on fotoelektronkiirguse pikalaineline (punane) piir, s.o. , minimaalne sagedus v0, millest allpool on fotoelektriline efekt võimatu.
3. Fotoelektronide maksimaalne algkiirus määratakse langeva kiirguse sagedusega ja ei sõltu selle intensiivsusest. Teisisõnu, fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt langeva kiirguse sageduse suurenedes ega sõltu selle kiirguse intensiivsusest.
Välise fotoelektrilise efekti seadused oleksid põhimõtteliselt rangelt täidetud ainult absoluutse nulltemperatuuri korral, samas kui tegelikult T > 0 K juures täheldatakse fotoelektronide emissiooni ka piirlainepikkusest pikematel lainepikkustel, ehkki väikese arvuga. kiirgavad elektrone. Äärmiselt suure langeva kiirguse intensiivsusega (üle 1 W / cm 2 ) rikutakse ka neid seadusi, kuna mitmefotoni protsesside tõsidus muutub ilmseks ja oluliseks.
Füüsiliselt on fotoelektronide emissiooni nähtus kolm järjestikust protsessi.
Esiteks neeldub ainesse langev footon, mille tulemusena ilmub aine sisse keskmisest suurema energiaga elektron. See elektron liigub keha pinnale ja mööda teed hajub osa tema energiast, sest teel selline elektron interakteerub teiste elektronidega ja kristallvõre vibratsiooniga. Lõpuks siseneb elektron vaakumisse või muusse kehavälisesse keskkonda, läbides potentsiaalse barjääri nende kahe keskkonna piiril.
Nagu metallidele omane, neelduvad spektri nähtavas ja ultraviolettkiirguses footonid juhtivuselektronid. Pooljuhtide ja dielektrikute puhul ergastatakse elektrone valentsribalt. Igal juhul on fotoelektronide emissiooni kvantitatiivne omadus kvantsaagis — Y — kiiratud elektronide arv langeva footoni kohta.
Kvantsaagis oleneb aine omadustest, selle pinna olekust, samuti langevate footonite energiast.
Metallides määrab fotoelektronide emissiooni pika lainepikkuse piiri nende pinnalt lähtuva elektroni tööfunktsioon.Enamik puhaste pinnametallide tööfunktsioon on üle 3 eV, leelismetallidel aga 2 kuni 3 eV.
Sel põhjusel võib leelis- ja leelismuldmetallide pinnalt tekkida fotoelektronide emissiooni isegi siis, kui kiiritatakse fotonitega spektri nähtavas piirkonnas, mitte ainult UV-kiirgusega. Kui tavalistes metallides on fotoelektronide emissioon võimalik ainult UV-sagedustest alates.
Seda kasutatakse metalli tööfunktsiooni vähendamiseks: tavalisele metallile sadestatakse leelis- ja leelismuldmetallide kile (monoatomiline kiht) ja seega nihkub fotoelektronide emissiooni punane piir pikemate lainete piirkonda.
Metallidele iseloomulik kvantsaagis Y lähi-UV- ja nähtavates piirkondades on suurusjärgus alla 0,001 elektroni footoni kohta, kuna fotoelektronide lekkesügavus on metalli valguse neeldumissügavusega võrreldes väike.Lõviosa fotoelektronidest hajutab oma energiat isegi enne metalli väljumispiirile lähenemist, kaotades igasuguse väljumisvõimaluse.
Kui footoni energia on lähedal fotoemissiooni lävele, ergastab enamik elektrone vaakumitasemest madalamal energial ja nad ei aita kaasa fotoemissiooni voolule. Lisaks on peegelduskoefitsient UV-lähedastes ja nähtavates piirkondades metallide jaoks liiga kõrge, mistõttu metall neelab üldse vaid väga väikese osa kiirgusest. Kaug-UV-piirkonnas need piirid vähenevad ja Y saavutab 0,01 elektroni/footoni footoni energiaga üle 10 eV.
Joonisel on kujutatud puhta vaskpinna fotoemissiooni kvantsaagise spektraalne sõltuvus:
Metallpinna saastumine vähendab fotovoolu ja nihutab punase piiri pikema lainepikkuse piirkonda; samal ajal võib nendes tingimustes kaug-UV-piirkonna puhul Y suureneda.
Fotoelektronkiirgus leiab rakendust fotoelektroonilistes seadmetes, mis muudavad erineva ulatusega elektromagnetilisi signaale elektrivooludeks ja pingeteks. Näiteks nähtamatutes infrapunasignaalides oleva pildi saab fotoelektronide emissiooni fenomeni alusel töötava seadme abil muuta nähtavaks. Samuti toimib fotoelektronkiirgus fotoelementides, erinevates elektroonika-optilistes muundurites, fotokordistites, fototakistites, fotodioodides, elektronkiirtorudes jne.
Vaata ka:Kuidas toimub päikeseenergia elektrienergiaks muundamise protsess