Фотоелектронно излъчване — физически смисъл, закони и приложения

Явлението фотоелектронно излъчване (или външен фотоелектричен ефект) е открито експериментално през 1887 г. от Хайнрих Херц по време на експеримент с отворен резонатор. Когато Херц насочи ултравиолетовата радиация към цинкови искри, в същия момент преминаването на електрическа искра през тях беше забележимо по -лесно.

Поради това, фотоелектронното излъчване може да се нарече процес на излъчване на електрони във вакуум (или в друга среда) от твърди или течни тела под въздействието на падащото върху тях електромагнитно излъчване. Най -значимото на практика е фотоелектронното излъчване от твърди тела — във вакуум.

Има три закона за излъчване на фотоелектрон или външен фотоелектричен ефект:

1. Електромагнитното излъчване с постоянен спектрален състав, падащо върху фотокатода, причинява наситен фототок I, чиято стойност е пропорционална на облъчването на катода, тоест броят на фотоелектроните, избити (излъчени) за 1 секунда, е пропорционален на интензитет на падащото излъчване F.

2. За всяко вещество, в съответствие с неговия химичен характер и при определено състояние на повърхността му, които определят работната функция Ф на електроните от дадено вещество, има дълга вълнова (червена) граница на фотоелектронното излъчване, т.е. , минималната честота v0, под която фотоелектрическият ефект е невъзможен.

3. Максималната начална скорост на фотоелектроните се определя от честотата на падащото излъчване и не зависи от интензитета му. С други думи, максималната кинетична енергия на фотоелектроните се увеличава линейно с увеличаване на честотата на падащото излъчване и не зависи от интензитета на това излъчване.

Законите на външния фотоелектричен ефект по принцип биха били стриктно изпълнени само при абсолютна нулева температура, докато в действителност, при T> 0 K, фотоелектронното излъчване също се наблюдава при дължина на вълната по -дълга от граничната дължина на вълната, макар и с малък брой на излъчващи електрони. При изключително висока интензивност на падащата радиация (повече от 1 W / cm 2) тези закони също се нарушават, тъй като тежестта на многофотонните процеси става очевидна и значима.

Физически явлението фотоелектронно излъчване е три последователни процеса.

Първо, инцидентният фотон се абсорбира от веществото, в резултат на което вътре в веществото се появява електрон с енергия, по -висока от средната над обема. Този електрон се придвижва към повърхността на тялото и по този път част от енергията му се разсейва, защото по пътя такъв електрон взаимодейства с други електрони и вибрации на кристалната решетка. И накрая, електронът навлиза във вакуум или друга среда извън тялото, преминавайки през потенциална бариера на границата между тези две среди.

Както е типично за металите, във видимата и ултравиолетовата част на спектъра фотоните се абсорбират от електроните на проводимост. За полупроводници и диелектрици се възбуждат електрони от валентната зона. Във всеки случай количествена характеристика на фотоелектронното излъчване е квантовият добив — Y — броят на излъчените електрони за един падащ фотон.

Квантовият добив зависи от свойствата на веществото, от състоянието на повърхността му, както и от енергията на падащите фотони.

В металите границата на дългите вълни на фотоелектронното излъчване се определя от работната функция на електрона от тяхната повърхност.Повечето метали с чиста повърхност имат работна функция над 3 eV, докато алкалните метали имат работна функция от 2 до 3 eV.

Поради тази причина фотоелектронното излъчване от повърхността на алкални и алкалоземни метали може да се наблюдава дори при облъчване с фотони във видимата област на спектъра, а не само UV. Докато при обикновените метали излъчването на фотоелектрон е възможно само като се започне от UV честотите.

Това се използва за намаляване на работната функция на метала: върху обикновен метал се нанася филм (моноатомен слой) от алкални и алкалоземни метали и по този начин червената граница на фотоелектронното излъчване се измества в областта на по -дългите вълни.

Квантовият добив Y, характерен за металите в близките ултравиолетови и видими области, е от порядъка на по -малко от 0,001 електрон / фотон, тъй като дълбочината на изтичане на фотоелектрон е малка в сравнение с дълбочината на поглъщане на светлината от метала. Лъвският дял от фотоелектроните разсейва енергията си дори преди да се доближи до границата на изхода от метала, губейки всякакъв шанс за излизане.

Ако енергията на фотона е близо до прага на фотоемисията, тогава повечето електрони ще се възбуждат при енергии под нивото на вакуума и те няма да допринесат за фотоемисионния ток. В допълнение, коефициентът на отражение в близките UV и видими области е твърде висок за металите, поради което само много малка част от радиацията изобщо ще се абсорбира в метала. В далечната UV област тези ограничения намаляват и Y достига 0,01 електрон / фотон при фотонни енергии над 10 eV.

Фигурата показва спектралната зависимост на квантовия добив на фотоемисия за чиста медна повърхност:

Замърсяването на металната повърхност намалява фототока и премества червената граница към областта с по -дълги дължини на вълните; в същото време за далечната UV област при тези условия Y може да се увеличи.

Фотоелектронното излъчване намира приложение във фотоелектронните устройства, които преобразуват електромагнитни сигнали от различни диапазони в електрически токове и напрежения. Например изображение в невидими инфрачервени сигнали може да се преобразува във видимо с помощта на устройство, което работи въз основа на явлението фотоелектронно излъчване. Работи и фотоелектронното излъчване във фотоклетки, в различни електронно-оптични преобразуватели, във фотоумножители, фоторезистори, фотодиоди, в електронно-лъчеви тръби и др.

Вижте също:Как протича процесът на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа