Fotoelektrónové žiarenie — fyzikálny význam, zákony a aplikácie
Fenomén fotoelektrónovej emisie (alebo externého fotoelektrického javu) objavil experimentálne v roku 1887 Heinrich Hertz počas experimentu s otvorenou dutinou. Keď Hertz nasmeroval ultrafialové žiarenie na zinkové iskry, prechod elektrickej iskry cez ne bol zároveň výrazne ľahší.
teda fotoelektrónové žiarenie možno nazvať proces emisie elektrónov vo vákuu (alebo v inom prostredí) z pevných alebo kvapalných telies pod vplyvom elektromagnetického žiarenia, ktoré na ne dopadá. V praxi najvýznamnejšia je emisia fotoelektrónov z pevných telies — vo vákuu.
1. Elektromagnetické žiarenie s konštantným spektrálnym zložením dopadajúce na fotokatódu spôsobuje nasýtený fotoprúd I, ktorého hodnota je úmerná ožiareniu katódy, to znamená, že počet fotoelektrónov vyradených (vyžiarených) za 1 sekundu je úmerný intenzita dopadajúceho žiarenia F.
2.Pre každú látku v súlade s jej chemickou podstatou a s určitým stavom jej povrchu, ktoré určujú pracovnú funkciu Ф elektrónov z danej látky, existuje dlhovlnná (červená) hranica fotoelektrónového žiarenia, t.j. , minimálna frekvencia v0, pod ktorou je fotoelektrický efekt nemožný.
3. Maximálna počiatočná rýchlosť fotoelektrónov je určená frekvenciou dopadajúceho žiarenia a nezávisí od jeho intenzity. Inými slovami, maximálna kinetická energia fotoelektrónov rastie lineárne so zvyšujúcou sa frekvenciou dopadajúceho žiarenia a nezávisí od intenzity tohto žiarenia.
Zákony vonkajšieho fotoelektrického javu by boli v zásade striktne splnené iba pri absolútnej nulovej teplote, zatiaľ čo v skutočnosti pri T > 0 K sa emisia fotoelektrónu pozoruje aj pri vlnových dĺžkach dlhších ako je hraničná vlnová dĺžka, aj keď s malým počtom emitujúce elektróny. Pri extrémne vysokej intenzite dopadajúceho žiarenia (viac ako 1 W / cm 2 ) sú tieto zákony tiež porušené, pretože závažnosť multifotónových procesov je zrejmá a významná.
Fyzikálne sú fenomén fotoelektrónovej emisie tri po sebe idúce procesy.
Najprv je dopadajúci fotón absorbovaný látkou, v dôsledku čoho sa vo vnútri látky objaví elektrón s energiou vyššou ako je priemer v objeme. Tento elektrón sa pohybuje na povrch telesa a cestou sa časť jeho energie rozptýli, pretože na ceste takýto elektrón interaguje s inými elektrónmi a vibráciami kryštálovej mriežky. Nakoniec elektrón vstúpi do vákua alebo iného média mimo tela a prechádza cez potenciálnu bariéru na hranici medzi týmito dvoma médiami.
Ako je typické pre kovy, vo viditeľnej a ultrafialovej časti spektra sú fotóny absorbované vodivými elektrónmi. V prípade polovodičov a dielektrík sú elektróny excitované z valenčného pásma. V každom prípade je kvantitatívnou charakteristikou emisie fotoelektrónov kvantový výťažok — Y — počet elektrónov emitovaných na dopadajúci fotón.
Kvantový výťažok závisí od vlastností látky, od stavu jej povrchu, ako aj od energie dopadajúcich fotónov.
V kovoch je hranica dlhovlnnej emisie fotoelektrónov určená pracovnou funkciou elektrónu z ich povrchu Väčšina čistých povrchových kovov má pracovnú funkciu nad 3 eV, zatiaľ čo alkalické kovy majú pracovnú funkciu 2 až 3 eV.
Z tohto dôvodu možno pozorovať emisiu fotoelektrónov z povrchu alkalických kovov a kovov alkalických zemín aj pri ožiarení fotónmi vo viditeľnej oblasti spektra, nielen UV. Zatiaľ čo v bežných kovoch je emisia fotoelektrónov možná len od UV frekvencií.
To sa využíva na zníženie pracovnej funkcie kovu: na obyčajný kov sa nanesie film (monoatómová vrstva) alkalických kovov a kovov alkalických zemín a tým sa posunie červená hranica emisie fotoelektrónov do oblasti dlhších vĺn.
Kvantový výťažok Y charakteristický pre kovy v oblastiach blízkych UV a viditeľným je rádovo menší ako 0,001 elektrón/fotón, pretože hĺbka úniku fotoelektrónu je malá v porovnaní s hĺbkou absorpcie svetla kovu.Leví podiel fotoelektrónov rozptýli svoju energiu ešte predtým, než sa priblíži k výstupnej hranici kovu, čím stratí akúkoľvek šancu na výstup.
Ak je energia fotónu blízka prahu fotoemisie, väčšina elektrónov bude excitovaná pri energiách pod úrovňou vákua a nebudú prispievať k fotoemisnému prúdu. Navyše, koeficient odrazu v blízkych UV a viditeľných oblastiach je pre kovy príliš vysoký, takže kov vôbec pohltí len veľmi malú časť žiarenia. Vo vzdialenej UV oblasti sa tieto limity znižujú a Y dosahuje 0,01 elektrón/fotón pri energiách fotónov nad 10 eV.
Obrázok ukazuje spektrálnu závislosť kvantového výťažku fotoemisie pre čistý medený povrch:
Kontaminácia kovového povrchu znižuje fotoprúd a posúva červený limit do oblasti s dlhšou vlnovou dĺžkou; súčasne sa môže pre vzdialenú UV oblasť za týchto podmienok Y zvýšiť.
Fotoelektrónové žiarenie nachádza uplatnenie vo fotoelektronických zariadeniach, ktoré premieňajú elektromagnetické signály rôzneho rozsahu na elektrické prúdy a napätia. Napríklad obraz v neviditeľných infračervených signáloch je možné previesť na viditeľný pomocou zariadenia, ktoré funguje na báze fenoménu emisie fotoelektrónov. Funguje aj fotoelektrónové žiarenie vo fotobunkách, v rôznych elektronicko-optických prevodníkoch, vo fotonásobičoch, fotorezistoroch, fotodiódach, v elektrónkách a pod.
Pozri tiež:Ako funguje proces premeny slnečnej energie na elektrickú energiu