Foto-elektronenstraling - fysieke betekenis, wetten en toepassingen
Het fenomeen van foto-elektronenemissie (of extern foto-elektrisch effect) werd experimenteel ontdekt in 1887 door Heinrich Hertz tijdens een open holte-experiment. Toen Hertz ultraviolette straling op zinkvonken richtte, was tegelijkertijd de doorgang van een elektrische vonk er merkbaar gemakkelijker door.
Dus, foto-elektronenstraling kan het proces worden genoemd van emissie van elektronen in een vacuüm (of in een ander medium) uit vaste of vloeibare lichamen onder invloed van elektromagnetische straling die erop valt. De belangrijkste in de praktijk is de foto-elektronenemissie van vaste lichamen - in een vacuüm.
1. Elektromagnetische straling met een constante spectrale samenstelling die op de fotokathode valt, veroorzaakt een verzadigde fotostroom I, waarvan de waarde evenredig is met de bestraling van de kathode, dat wil zeggen, het aantal foto-elektronen dat in 1 seconde wordt uitgeschakeld (uitgezonden) is evenredig met de intensiteit van de invallende straling F.
2.Voor elke stof, in overeenstemming met zijn chemische aard en met een bepaalde toestand van zijn oppervlak, die de werkfunctie Ф van elektronen van een bepaalde stof bepalen, is er een langgolvige (rode) limiet van foto-elektronenstraling, d.w.z. , de minimale frequentie v0 waaronder het foto-elektrisch effect onmogelijk is.
3. De maximale beginsnelheid van de foto-elektronen wordt bepaald door de frequentie van de invallende straling en is niet afhankelijk van de intensiteit ervan. Met andere woorden, de maximale kinetische energie van foto-elektronen neemt lineair toe met toenemende frequentie van invallende straling en is niet afhankelijk van de intensiteit van deze straling.
Aan de wetten van het externe foto-elektrische effect zou in principe alleen strikt worden voldaan bij de temperatuur van het absolute nulpunt, terwijl in feite bij T > 0 K foto-elektronenemissie ook wordt waargenomen bij golflengten langer dan de grensgolflengte, zij het met een klein aantal elektronen uitzenden. Bij een extreem hoge intensiteit van invallende straling (meer dan 1 W / cm 2 ) worden deze wetten ook overtreden, aangezien de ernst van multifotonprocessen duidelijk en significant wordt.
Fysiek is het fenomeen van foto-elektronenemissie drie opeenvolgende processen.
Eerst wordt het invallende foton door de stof geabsorbeerd, waardoor een elektron met energie hoger dan het gemiddelde over het volume in de stof verschijnt. Dit elektron beweegt naar het oppervlak van het lichaam en onderweg gaat een deel van zijn energie verloren, doordat zo'n elektron onderweg interageert met andere elektronen en trillingen van het kristalrooster. Ten slotte komt het elektron een vacuüm of een ander medium buiten het lichaam binnen en passeert het een potentiële barrière op de grens tussen deze twee mediums.
Zoals typisch is voor metalen, worden fotonen in de zichtbare en ultraviolette delen van het spectrum geabsorbeerd door de geleidingselektronen. Voor halfgeleiders en diëlektrica worden elektronen geëxciteerd vanuit de valentieband. In ieder geval is een kwantitatief kenmerk van foto-elektronenemissie de kwantumopbrengst - Y - het aantal uitgezonden elektronen per invallend foton.
De kwantumopbrengst hangt af van de eigenschappen van de stof, van de toestand van het oppervlak en van de energie van de invallende fotonen.
In metalen wordt de lange golflengtelimiet van foto-elektronenemissie bepaald door de werkfunctie van het elektron vanaf hun oppervlak.De meeste metalen met een schoon oppervlak hebben een werkfunctie van meer dan 3 eV, terwijl alkalimetalen een werkfunctie hebben van 2 tot 3 eV.
Om deze reden kan foto-elektronenemissie van het oppervlak van alkali- en aardalkalimetalen worden waargenomen, zelfs wanneer ze worden bestraald met fotonen in het zichtbare gebied van het spectrum, niet alleen met UV. Terwijl bij gewone metalen foto-elektronenemissie alleen mogelijk is vanaf UV-frequenties.
Dit wordt gebruikt om de werkfunctie van het metaal te verminderen: een film (monoatomische laag) van alkali- en aardalkalimetalen wordt afgezet op een gewoon metaal en zo wordt de rode limiet van foto-elektronenemissie verschoven naar het gebied met langere golven.
De kwantumopbrengst Y-karakteristiek van metalen in de nabije UV- en zichtbare gebieden is in de orde van minder dan 0,001 elektron/foton omdat de foto-elektronenlekdiepte klein is in vergelijking met de lichtabsorptiediepte van het metaal.Het leeuwendeel van de foto-elektronen dissipeert hun energie voordat ze zelfs maar de uitgangsgrens van het metaal naderen, waardoor ze elke kans op exit verliezen.
Als de fotonenergie dicht bij de foto-emissiedrempel ligt, zullen de meeste elektronen worden geëxciteerd bij energieën onder het vacuümniveau en zullen ze niet bijdragen aan de foto-emissiestroom. Bovendien is de reflectiecoëfficiënt in de nabije UV- en zichtbare gebieden te hoog voor metalen, zodat slechts een zeer klein deel van de straling door het metaal wordt geabsorbeerd. In het verre UV-gebied nemen deze limieten af en bereikt Y 0,01 elektron/foton bij fotonenergieën boven 10 eV.
De figuur toont de spectrale afhankelijkheid van de kwantumopbrengst van foto-emissie voor een puur koperen oppervlak:
Verontreiniging van het metalen oppervlak vermindert de fotostroom en verschuift de rode limiet naar het langere golflengtegebied; tegelijkertijd kan Y voor het verre UV-gebied onder deze omstandigheden toenemen.
Foto-elektronenstraling vindt toepassing in foto-elektronische apparaten die elektromagnetische signalen van verschillende bereiken omzetten in elektrische stromen en spanningen. Zo kan een beeld in onzichtbare infraroodsignalen worden omgezet in een zichtbaar beeld met behulp van een apparaat dat werkt op basis van het fenomeen foto-elektronenemissie. Foto-elektronenstraling werkt ook bij fotocellen, in verschillende elektronisch-optische converters, in fotovermenigvuldigers, fotoresistors, fotodiodes, in elektronenstraalbuizen, enz.
Zie ook:Hoe het proces van het omzetten van zonne-energie in elektrische energie werkt