Ακτινοβολία φωτοηλεκτρονίου — φυσικό νόημα, νόμοι και εφαρμογές
Το φαινόμενο της εκπομπής φωτοηλεκτρονίων (ή του εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου) ανακαλύφθηκε πειραματικά το 1887 από τον Heinrich Hertz κατά τη διάρκεια ενός πειράματος ανοιχτής κοιλότητας. Όταν ο Hertz κατεύθυνε την υπεριώδη ακτινοβολία σε σπινθήρες ψευδαργύρου, την ίδια στιγμή η διέλευση ενός ηλεκτρικού σπινθήρα μέσα από αυτούς ήταν αισθητά ευκολότερη.
Ετσι, Η ακτινοβολία φωτοηλεκτρονίου μπορεί να ονομαστεί η διαδικασία εκπομπής ηλεκτρονίων σε κενό (ή σε άλλο μέσο) από στερεά ή υγρά σώματα υπό την επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που πέφτει πάνω τους. Το πιο σημαντικό στην πράξη είναι η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων από στερεά σώματα — στο κενό.
1. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με σταθερή φασματική σύσταση που πέφτει στη φωτοκάθοδο προκαλεί ένα κορεσμένο φωτορεύμα Ι, η τιμή του οποίου είναι ανάλογη με την ακτινοβολία της καθόδου, δηλαδή ο αριθμός των φωτοηλεκτρονίων που εκπέμπονται (εκπέμπονται) σε 1 δευτερόλεπτο είναι ανάλογος του την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας F.
2.Για κάθε ουσία, σύμφωνα με τη χημική της φύση και με μια ορισμένη κατάσταση της επιφάνειάς της, που καθορίζουν τη συνάρτηση εργασίας Φ των ηλεκτρονίων από μια δεδομένη ουσία, υπάρχει ένα όριο μακράς κύματος (κόκκινο) ακτινοβολίας φωτοηλεκτρονίου, δηλ. , η ελάχιστη συχνότητα v0 κάτω από την οποία το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι αδύνατο.
3. Η μέγιστη αρχική ταχύτητα των φωτοηλεκτρονίων καθορίζεται από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και δεν εξαρτάται από την έντασή της. Με άλλα λόγια, η μέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της συχνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και δεν εξαρτάται από την ένταση αυτής της ακτινοβολίας.
Οι νόμοι του εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου θα ικανοποιούνται κατ' αρχήν αυστηρά μόνο σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία, ενώ στην πραγματικότητα, σε T > 0 K, η εκπομπή φωτοηλεκτρονίου παρατηρείται επίσης σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από το μήκος κύματος αποκοπής, αν και με μικρό αριθμό που εκπέμπουν ηλεκτρόνια. Σε εξαιρετικά υψηλή ένταση προσπίπτουσας ακτινοβολίας (πάνω από 1 W / cm 2), αυτοί οι νόμοι παραβιάζονται επίσης, καθώς η σοβαρότητα των διεργασιών πολλαπλών φωτονίων γίνεται εμφανής και σημαντική.
Φυσικά, το φαινόμενο της εκπομπής φωτοηλεκτρονίων είναι τρεις διαδοχικές διαδικασίες.
Πρώτον, το προσπίπτον φωτόνιο απορροφάται από την ουσία, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μέσα στην ουσία ένα ηλεκτρόνιο με ενέργεια μεγαλύτερη από το μέσο όρο πάνω από τον όγκο. Αυτό το ηλεκτρόνιο κινείται προς την επιφάνεια του σώματος και στην πορεία ένα μέρος της ενέργειάς του διαχέεται, γιατί καθ' οδόν ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρά με άλλα ηλεκτρόνια και δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος. Τέλος, το ηλεκτρόνιο εισέρχεται σε κενό ή άλλο μέσο έξω από το σώμα, περνώντας από ένα φράγμα δυναμικού στο όριο μεταξύ αυτών των δύο μέσων.
Όπως είναι χαρακτηριστικό για τα μέταλλα, στα ορατά και υπεριώδη μέρη του φάσματος, τα φωτόνια απορροφώνται από τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας. Για τους ημιαγωγούς και τα διηλεκτρικά, τα ηλεκτρόνια διεγείρονται από τη ζώνη σθένους. Σε κάθε περίπτωση, ένα ποσοτικό χαρακτηριστικό της εκπομπής φωτοηλεκτρονίου είναι η κβαντική απόδοση — Y — ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται ανά προσπίπτον φωτόνιο.
Η κβαντική απόδοση εξαρτάται από τις ιδιότητες της ουσίας, από την κατάσταση της επιφάνειάς της, καθώς και από την ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων.
Στα μέταλλα, το όριο μακρού μήκους κύματος εκπομπής φωτοηλεκτρονίων καθορίζεται από τη συνάρτηση εργασίας του ηλεκτρονίου από την επιφάνειά τους.Τα περισσότερα μέταλλα καθαρής επιφάνειας έχουν συνάρτηση εργασίας πάνω από 3 eV, ενώ τα αλκαλικά μέταλλα έχουν συνάρτηση εργασίας 2 έως 3 eV.
Για το λόγο αυτό, η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων από την επιφάνεια αλκαλίων και μετάλλων αλκαλικών γαιών μπορεί να παρατηρηθεί ακόμη και όταν ακτινοβοληθεί με φωτόνια στην ορατή περιοχή του φάσματος, όχι μόνο με υπεριώδη ακτινοβολία. Ενώ στα συνηθισμένα μέταλλα, η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων είναι δυνατή μόνο ξεκινώντας από τις συχνότητες UV.
Αυτό χρησιμοποιείται για τη μείωση της λειτουργίας εργασίας του μετάλλου: ένα φιλμ (μονοατομικό στρώμα) αλκαλίων και μετάλλων αλκαλικής γαίας εναποτίθεται σε ένα συνηθισμένο μέταλλο και έτσι το κόκκινο όριο εκπομπής φωτοηλεκτρονίων μετατοπίζεται στην περιοχή των μεγαλύτερων κυμάτων.
Το χαρακτηριστικό κβαντικής απόδοσης Υ των μετάλλων στις σχεδόν UV και ορατές περιοχές είναι της τάξης μικρότερο του 0,001 ηλεκτρονίου/φωτόνιο επειδή το βάθος διαρροής φωτοηλεκτρονίου είναι μικρό σε σύγκριση με το βάθος απορρόφησης φωτός του μετάλλου.Η μερίδα του λέοντος των φωτοηλεκτρονίων διαχέει την ενέργειά τους πριν ακόμη πλησιάσει το όριο εξόδου του μετάλλου, χάνοντας κάθε πιθανότητα εξόδου.
Εάν η ενέργεια των φωτονίων είναι κοντά στο κατώφλι φωτοεκπομπής, τότε τα περισσότερα ηλεκτρόνια θα διεγερθούν σε ενέργειες κάτω από το επίπεδο του κενού και δεν θα συμβάλλουν στο ρεύμα φωτοεκπομπής. Επιπλέον, ο συντελεστής ανάκλασης στις κοντινές περιοχές UV και ορατές είναι πολύ υψηλός για τα μέταλλα, επομένως μόνο ένα πολύ μικρό κλάσμα της ακτινοβολίας θα απορροφηθεί καθόλου από το μέταλλο. Στην μακρινή περιοχή υπεριώδους ακτινοβολίας αυτά τα όρια μειώνονται και το Υ φτάνει το 0,01 ηλεκτρόνιο/φωτόνιο σε ενέργειες φωτονίων πάνω από 10 eV.
Το σχήμα δείχνει τη φασματική εξάρτηση της κβαντικής απόδοσης φωτοεκπομπής για μια επιφάνεια καθαρού χαλκού:
Η μόλυνση της μεταλλικής επιφάνειας μειώνει το φωτορεύμα και μετατοπίζει το κόκκινο όριο στην περιοχή μεγαλύτερου μήκους κύματος. Ταυτόχρονα, για την μακρινή περιοχή UV υπό αυτές τις συνθήκες, το Υ μπορεί να αυξηθεί.
Η ακτινοβολία φωτοηλεκτρονίου βρίσκει εφαρμογή σε φωτοηλεκτρονικές συσκευές που μετατρέπουν ηλεκτρομαγνητικά σήματα διαφόρων εύρους σε ηλεκτρικά ρεύματα και τάσεις. Για παράδειγμα, μια εικόνα σε αόρατα υπέρυθρα σήματα μπορεί να μετατραπεί σε ορατή χρησιμοποιώντας μια συσκευή που λειτουργεί με βάση το φαινόμενο της εκπομπής φωτοηλεκτρονίων. Η ακτινοβολία φωτοηλεκτρονίου λειτουργεί επίσης σε φωτοκύτταρα, σε διάφορους ηλεκτρονικούς-οπτικούς μετατροπείς, σε φωτοπολλαπλασιαστές, φωτοαντιστάσεις, φωτοδίοδοι, σε σωλήνες δέσμης ηλεκτρονίων κ.λπ.
Δείτε επίσης:Πώς λειτουργεί η διαδικασία μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική