Fotoelektron radyasyonu — fiziksel anlam, yasalar ve uygulamalar
Fotoelektron emisyonu (veya harici fotoelektrik etki) olgusu, deneysel olarak 1887'de Heinrich Hertz tarafından bir açık boşluk deneyi sırasında keşfedildi. Hertz, ultraviyole radyasyonu çinko kıvılcımlarına yönlendirdiğinde, aynı zamanda bir elektrik kıvılcımının bunların içinden geçişi gözle görülür şekilde daha kolaydı.
Böylece, fotoelektron radyasyonu, üzerlerine düşen elektromanyetik radyasyonun etkisi altında katı veya sıvı cisimlerden bir vakumda (veya başka bir ortamda) elektron emisyonu süreci olarak adlandırılabilir. Pratikte en önemlisi, vakumda katı cisimlerden fotoelektron emisyonudur.
1. Fotokatod üzerine düşen sabit bir spektral bileşime sahip elektromanyetik radyasyon, değeri katodun ışınlanmasıyla orantılı olan, yani 1 saniyede nakavt edilen (yayan) fotoelektronların sayısı ile orantılı olan doymuş bir fotoakıma neden olur. gelen radyasyonun yoğunluğu F.
2.Her madde için, kimyasal yapısına ve belirli bir maddeden elektronların çalışma fonksiyonunu Ф belirleyen yüzeyinin belirli bir durumuna göre, fotoelektron radyasyonunun uzun dalga (kırmızı) bir sınırı vardır, yani. , altında fotoelektrik etkinin imkansız olduğu minimum frekans v0.
3. Fotoelektronların maksimum başlangıç hızı, gelen radyasyonun frekansı ile belirlenir ve yoğunluğuna bağlı değildir. Başka bir deyişle, fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi, gelen radyasyonun artan frekansı ile doğrusal olarak artar ve bu radyasyonun yoğunluğuna bağlı değildir.
Dış fotoelektrik etkinin yasaları prensipte yalnızca mutlak sıfır sıcaklığında tam olarak karşılanırken, aslında T > 0 K'de, az sayıda olsa da, kesme dalga boyundan daha uzun dalga boylarında fotoelektron emisyonu da gözlemlenir. elektronlar yayar. Son derece yüksek bir gelen radyasyon yoğunluğunda (1 W / cm2'den fazla), bu yasalar da ihlal edilir, çünkü çoklu foton süreçlerinin şiddeti açık ve önemli hale gelir.
Fiziksel olarak, fotoelektron emisyonu olgusu birbirini takip eden üç süreçtir.
İlk olarak, gelen foton madde tarafından emilir, bunun sonucunda maddenin içinde hacmin ortalamasından daha yüksek enerjiye sahip bir elektron belirir. Bu elektron vücudun yüzeyine hareket eder ve yol boyunca enerjisinin bir kısmı dağılır, çünkü yolda böyle bir elektron diğer elektronlarla ve kristal kafesin titreşimleriyle etkileşime girer. Son olarak, elektron, bu iki ortam arasındaki sınırdaki potansiyel bir bariyerden geçerek vücudun dışındaki bir vakuma veya başka bir ortama girer.
Spektrumun görünür ve ultraviyole kısımlarında, metaller için tipik olduğu gibi, fotonlar iletim elektronları tarafından emilir. Yarı iletkenler ve dielektrikler için elektronlar değerlik bandından uyarılır. Her durumda, fotoelektron emisyonunun niceliksel bir özelliği kuantum verimidir - Y - gelen foton başına yayılan elektronların sayısı.
Kuantum verimi, gelen fotonların enerjisinin yanı sıra, maddenin özelliklerine, yüzeyinin durumuna bağlıdır.
Metallerde, fotoelektron emisyonunun uzun dalga boyu sınırı elektronun yüzeylerinden yaptığı iş fonksiyonu ile belirlenir.Temiz yüzey metallerinin çoğu 3 eV'nin üzerinde bir iş fonksiyonuna sahipken, alkali metaller 2 ila 3 eV'lik bir iş fonksiyonuna sahiptir.
Bu nedenle alkali ve toprak alkali metallerin yüzeyinden fotoelektron emisyonu, sadece UV ile değil, spektrumun görünür bölgesindeki fotonlarla ışınlandığında bile gözlemlenebilir. Sıradan metallerde ise, fotoelektron emisyonu sadece UV frekanslarından başlayarak mümkündür.
Bu, metalin çalışma işlevini azaltmak için kullanılır: Alkali ve toprak alkali metallerden oluşan bir film (tek atomlu katman) sıradan bir metal üzerinde biriktirilir ve böylece fotoelektron emisyonunun kırmızı sınırı daha uzun dalgaların olduğu bölgeye kaydırılır.
UV'ye yakın ve görünür bölgelerdeki metallerin kuantum verimi Y özelliği, 0.001 elektron/foton'dan daha az mertebesindedir çünkü fotoelektron sızıntı derinliği, metalin ışık emme derinliğine kıyasla küçüktür.Fotoelektronların aslan payı, metalin çıkış sınırına bile yaklaşmadan enerjilerini dağıtır ve herhangi bir çıkış şansını kaybeder.
Foton enerjisi fotoemisyon eşiğine yakınsa, elektronların çoğu vakum seviyesinin altındaki enerjilerde uyarılacak ve fotoemisyon akımına katkıda bulunmayacaktır. Ek olarak, yakın UV ve görünür bölgelerdeki yansıma katsayısı metaller için çok yüksektir, bu nedenle radyasyonun yalnızca çok küçük bir kısmı metal tarafından emilecektir. Uzak UV bölgesinde bu sınırlar azalır ve 10 eV'nin üzerindeki foton enerjilerinde Y 0.01 elektron/fotona ulaşır.
Şekil, saf bir bakır yüzey için fotoemisyon kuantum veriminin spektral bağımlılığını göstermektedir:
Metal yüzeyin kirlenmesi fotoakımı azaltır ve kırmızı sınırı daha uzun dalga boyu bölgesine kaydırır; aynı zamanda uzak UV bölgesi için bu koşullar altında Y artabilir.
Fotoelektron radyasyonu, çeşitli aralıklardaki elektromanyetik sinyalleri elektrik akımlarına ve voltajlarına dönüştüren fotoelektronik cihazlarda uygulama bulur. Örneğin, görünmez kızılötesi sinyallerdeki bir görüntü, fotoelektron emisyonu olgusu temelinde çalışan bir cihaz kullanılarak görünür bir görüntüye dönüştürülebilir. Fotoelektron radyasyonu da çalışır fotosellerde, çeşitli elektronik-optik dönüştürücülerde, fotoçoğaltıcılarda, fotodirençlerde, fotodiyotlarda, elektron ışını tüplerinde vb.
Ayrıca bakınız:Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme süreci nasıl işliyor?