Valoelektronisäteily — fyysinen merkitys, lait ja sovellukset
Heinrich Hertz löysi kokeellisesti valoelektroniemission (tai ulkoisen valosähköisen efektin) ilmiön vuonna 1887 avoimen onkalon kokeessa. Kun Hertz suuntasi ultraviolettisäteilyä sinkkikipinöihin, samalla sähkökipinän kulku niiden läpi oli huomattavasti helpompaa.
Täten, fotoelektronisäteilyä voidaan kutsua prosessiksi, jossa elektroneja emissoidaan tyhjiössä (tai muussa väliaineessa) kiinteistä tai nestemäisistä kappaleista niihin putoavan sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta. Käytännössä merkittävin on fotoelektroniemissio kiinteistä kappaleista — tyhjiössä.
1. Valokatodille putoava sähkömagneettinen säteily, jonka spektrikoostumus on vakio, aiheuttaa kylläisen valovirran I, jonka arvo on verrannollinen katodin säteilytykseen, eli 1 sekunnissa tyrmätettyjen (emitoituneiden) valoelektronien lukumäärä on verrannollinen tulevan säteilyn voimakkuus F.
2.Jokaiselle aineelle, sen kemiallisen luonteen ja pinnan tietyn tilan mukaan, jotka määräävät tietystä aineesta peräisin olevien elektronien työfunktion Ф, on fotoelektronisäteilyn pitkäaaltoinen (punainen) raja, ts. , minimitaajuus v0, jonka alapuolella valosähköinen vaikutus on mahdoton.
3. Valoelektronien suurin alkunopeus määräytyy tulevan säteilyn taajuuden mukaan, eikä se riipu sen intensiteetistä. Toisin sanoen fotoelektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti tulevan säteilyn taajuuden kasvaessa, eikä se riipu tämän säteilyn intensiteetistä.
Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen lait täyttyisivät periaatteessa tiukasti vain absoluuttisessa nollalämpötilassa, kun taas itse asiassa, kun T > 0 K, fotoelektroniemissiota havaitaan myös raja-aallonpituutta pidemmillä aallonpituuksilla, vaikkakin pienellä määrällä emittoivia elektroneja. Erittäin suurella tulevan säteilyn intensiteetillä (yli 1 W / cm 2 ) näitä lakeja rikotaan myös, koska monifotoniprosessien vakavuus tulee ilmeiseksi ja merkittäväksi.
Fyysisesti valoelektroniemissio on kolme peräkkäistä prosessia.
Ensinnäkin sattuva fotoni absorboituu aineeseen, minkä seurauksena aineen sisään ilmestyy elektroni, jonka energia on suurempi kuin tilavuuden keskiarvo. Tämä elektroni liikkuu kehon pinnalle ja matkan varrella osa sen energiasta hajoaa, koska matkalla tällainen elektroni on vuorovaikutuksessa muiden elektronien ja kidehilan värähtelyjen kanssa. Lopuksi elektroni saapuu tyhjiöön tai muuhun väliaineeseen kehon ulkopuolella ja kulkee näiden kahden väliaineen välisellä rajalla olevan potentiaaliesteen läpi.
Metalleille tyypilliseen tapaan johtavuuselektronien absorboivat fotonit spektrin näkyvässä ja ultraviolettiosassa. Puolijohteiden ja eristeiden tapauksessa elektronit viritetään valenssikaistalta. Joka tapauksessa fotoelektronisäteilyn kvantitatiivinen ominaisuus on kvanttituotto — Y — tulevaa fotonia kohden emittoivien elektronien lukumäärä.
Kvanttisaanto riippuu aineen ominaisuuksista, sen pinnan tilasta sekä tulevien fotonien energiasta.
Metalleissa fotoelektronien emission pitkän aallonpituuden raja määräytyy elektronin työfunktion perusteella niiden pinnalta Useimmilla puhtailla pintametalleilla on työfunktio yli 3 eV, kun taas alkalimetallien työfunktio on 2-3 eV.
Tästä syystä alkali- ja maa-alkalimetallien pinnalta tuleva fotoelektroniemissio voidaan havaita myös säteilytettynä fotoneilla spektrin näkyvällä alueella, ei vain UV:llä. Tavallisissa metalleissa fotoelektroniemissio on mahdollista vain UV-taajuuksista alkaen.
Tällä vähennetään metallin työtoimintoa: tavalliselle metallille kerrostuu alkali- ja maa-alkalimetallien kalvo (monoatomikerros) ja siten fotoelektronipäästön punainen raja siirtyy pidempien aaltojen alueelle.
Metallien kvanttisaanto Y lähellä UV- ja näkyvällä alueella on suuruusluokkaa alle 0,001 elektronia/fotoni, koska fotoelektronien vuodon syvyys on pieni verrattuna metallin valon absorptiosyvyyteen.Leijonanosa fotoelektroneista haihduttaa energiansa ennen kuin edes lähestyy metallin ulostulorajaa, menettäen mahdollisuutensa poistua.
Jos fotonienergia on lähellä fotoemissiokynnystä, useimmat elektronit virittyvät alipainetason alapuolella olevilla energioilla, eivätkä ne vaikuta fotoemissiovirtaan. Lisäksi heijastuskerroin lähi-UV- ja näkyvillä alueilla on liian korkea metalleille, joten vain hyvin pieni osa säteilystä absorboituu metalliin ollenkaan. Kauko-UV-alueella nämä rajat pienenevät ja Y saavuttaa arvon 0,01 elektronia/fotoni yli 10 eV:n fotonien energioissa.
Kuvassa näkyy puhtaan kuparipinnan fotoemission kvanttisaannon spektririippuvuus:
Metallipinnan kontaminaatio vähentää valovirtaa ja siirtää punaista rajaa pidemmälle aallonpituusalueelle; samaan aikaan kauko-UV-alueella näissä olosuhteissa Y voi kasvaa.
Valoelektronisäteilyä käytetään fotoelektronisissa laitteissa, jotka muuntavat eri alueiden sähkömagneettisia signaaleja sähkövirroiksi ja jännitteiksi. Esimerkiksi näkymättömissä infrapunasignaaleissa oleva kuva voidaan muuntaa näkyväksi käyttämällä laitetta, joka toimii fotoelektroniemissioilmiön perusteella. Myös fotoelektronisäteily toimii valokennoissa, erilaisissa elektroni-optisissa muuntimissa, valomonistimissa, valovastuksissa, valodiodeissa, elektronisädeputkissa jne.
Katso myös:Kuinka aurinkoenergian muuntaminen sähköenergiaksi toimii