Radiació fotoelectrònica: significat físic, lleis i aplicacions
El fenomen de l'emissió de fotoelectrons (o efecte fotoelèctric extern) va ser descobert experimentalment el 1887 per Heinrich Hertz durant un experiment de cavitat oberta. Quan Hertz va dirigir la radiació ultraviolada a les espurnes de zinc, al mateix temps el pas d'una espurna elèctrica a través d'elles era notablement més fàcil.
Així, La radiació fotoelectrònica es pot anomenar el procés d'emissió d'electrons en el buit (o en un altre medi) des de cossos sòlids o líquids sota la influència de la radiació electromagnètica que cau sobre ells. El més significatiu a la pràctica és l'emissió de fotoelectrons dels cossos sòlids, en el buit.
1. La radiació electromagnètica amb una composició espectral constant que cau sobre el fotocàtode provoca un fotocorrent saturat I, el valor del qual és proporcional a la irradiació del càtode, és a dir, el nombre de fotoelectrons eliminats (emesos) en 1 segon és proporcional a la intensitat de la radiació incident F.
2.Per a cada substància, d'acord amb la seva naturalesa química i amb un determinat estat de la seva superfície, que determinen la funció de treball Ф dels electrons d'una determinada substància, hi ha un límit d'ona llarga (vermell) de radiació fotoelectrònica, és a dir. , la freqüència mínima v0 per sota de la qual l'efecte fotoelèctric és impossible.
3. La velocitat inicial màxima dels fotoelectrons ve determinada per la freqüència de la radiació incident i no depèn de la seva intensitat. En altres paraules, l'energia cinètica màxima dels fotoelectrons augmenta linealment amb l'augment de la freqüència de la radiació incident i no depèn de la intensitat d'aquesta radiació.
En principi, les lleis de l'efecte fotoelèctric extern es complirien estrictament només a la temperatura zero absolut, mentre que de fet, a T > 0 K, l'emissió de fotoelectrons també s'observa a longituds d'ona superiors a la longitud d'ona de tall, encara que amb un petit nombre de emetent electrons. A una intensitat extremadament alta de radiació incident (més d'1 W/cm 2 ), aquestes lleis també es violen, ja que la gravetat dels processos multifotònics esdevé òbvia i significativa.
Físicament, el fenomen de l'emissió de fotoelectrons és de tres processos consecutius.
En primer lloc, el fotó incident és absorbit per la substància, com a conseqüència de la qual cosa apareix un electró amb una energia superior a la mitjana sobre el volum dins de la substància. Aquest electró es mou a la superfície del cos i al llarg del camí es dissipa part de la seva energia, perquè en el camí un electró interacciona amb altres electrons i vibracions de la xarxa cristal·lina. Finalment, l'electró entra en un buit o un altre medi fora del cos, passant per una barrera de potencial al límit entre aquests dos medis.
Com és típic dels metalls, a les parts visible i ultraviolada de l'espectre, els fotons són absorbits pels electrons de conducció. Per als semiconductors i els dielèctrics, els electrons s'exciten des de la banda de valència. En qualsevol cas, una característica quantitativa de l'emissió de fotoelectrons és el rendiment quàntic — Y — el nombre d'electrons emesos per fotó incident.
El rendiment quàntic depèn de les propietats de la substància, de l'estat de la seva superfície, així com de l'energia dels fotons incidents.
En els metalls, el límit de longitud d'ona llarga de l'emissió de fotoelectrons està determinat per la funció de treball de l'electró de la seva superfície.La majoria dels metalls de superfície neta tenen una funció de treball per sobre de 3 eV, mentre que els metalls alcalins tenen una funció de treball de 2 a 3 eV.
Per aquest motiu, es pot observar l'emissió de fotoelectrons des de la superfície dels metalls alcalins i alcalinoterrosos fins i tot quan s'irradien amb fotons a la regió visible de l'espectre, no només UV. Mentre que en els metalls ordinaris, l'emissió de fotoelectrons només és possible a partir de les freqüències UV.
Això s'utilitza per reduir la funció de treball del metall: una pel·lícula (capa monoatòmica) de metalls alcalins i alcalinoterrosos es diposita sobre un metall normal i, per tant, el límit vermell d'emissió de fotoelectrons es desplaça a la regió d'ones més llargues.
El rendiment quàntic Y característic dels metalls a les regions properes a UV i visible és de l'ordre de menys de 0,001 electró/fotó perquè la profunditat de fuga de fotoelectrons és petita en comparació amb la profunditat d'absorció de llum del metall.La part del lleó dels fotoelectrons dissipa la seva energia abans fins i tot d'apropar-se al límit de sortida del metall, perdent qualsevol possibilitat de sortida.
Si l'energia fotònica està a prop del llindar de fotoemissió, la majoria dels electrons s'excitaran a energies per sota del nivell de buit i no contribuiran al corrent de fotoemissió. A més, el coeficient de reflexió a les regions properes als UV i al visible és massa alt per als metalls, de manera que només una part molt petita de la radiació serà absorbida pel metall. A la regió ultraviolada llunyana aquests límits disminueixen i Y arriba a 0,01 electró/fotó a energies de fotons superiors a 10 eV.
La figura mostra la dependència espectral del rendiment quàntic de la fotoemissió per a una superfície de coure pur:
La contaminació de la superfície metàl·lica redueix el fotocorrent i desplaça el límit vermell a la regió de longitud d'ona més llarga; al mateix temps, per a la regió UV llunyana en aquestes condicions, Y pot augmentar.
La radiació fotoelectrònica troba aplicació en dispositius fotoelectrònics que converteixen senyals electromagnètics de diversos rangs en corrents i voltatges elèctrics. Per exemple, una imatge en senyals infrarojos invisibles es pot convertir en una de visible mitjançant un dispositiu que funciona sobre la base del fenomen de l'emissió de fotoelectrons. La radiació fotoelectrònica també funciona en fotocèl·lules, en diversos convertidors electrònic-òptics, en fotomultiplicadors, fotoresistències, fotodíodes, en tubs de feix d'electrons, etc.
Vegeu també:Com funciona el procés de conversió de l'energia solar en energia elèctrica