Fotoelektroninė spinduliuotė – fizinė reikšmė, dėsniai ir taikymas
Fotoelektronų emisijos reiškinį (arba išorinį fotoelektrinį efektą) eksperimentiškai atrado 1887 m. Heinrichas Hertzas, atlikdamas eksperimentą atviroje ertmėje. Kai Hertz nukreipė ultravioletinę spinduliuotę į cinko kibirkštis, tuo pačiu metu elektros kibirkštis pro jas prasiskverbė pastebimai lengviau.
Taigi, fotoelektronine spinduliuote galima vadinti elektronų emisijos vakuume (ar kitoje terpėje) procesą iš kietų ar skystų kūnų, veikiant ant jų krentančios elektromagnetinės spinduliuotės. Praktikoje reikšmingiausia yra fotoelektronų emisija iš kietųjų kūnų – vakuume.
1. Ant fotokatodo krentanti pastovios spektrinės sudėties elektromagnetinė spinduliuotė sukelia prisotintą fotosrovę I, kurios reikšmė proporcinga katodo apšvitinimui, tai yra per 1 sekundę išmuštų (išspinduliuotų) fotoelektronų skaičius proporcingas krintančios spinduliuotės intensyvumas F.
2.Kiekvienai medžiagai, atsižvelgiant į jos cheminę prigimtį ir tam tikrą jos paviršiaus būseną, kuri lemia tam tikros medžiagos elektronų darbo funkciją Ф, yra fotoelektronų spinduliuotės ilgosios bangos (raudonoji) riba, t.y. , mažiausias dažnis v0, žemiau kurio fotoelektrinis efektas neįmanomas.
3. Didžiausias pradinis fotoelektronų greitis nustatomas pagal krintančios spinduliuotės dažnį ir nepriklauso nuo jos intensyvumo. Kitaip tariant, maksimali fotoelektronų kinetinė energija didėja tiesiškai didėjant krintančios spinduliuotės dažniui ir nepriklauso nuo šios spinduliuotės intensyvumo.
Išorinio fotoelektrinio efekto dėsniai iš principo būtų griežtai įvykdyti tik esant absoliutai nulinei temperatūrai, o iš tikrųjų, esant T > 0 K, fotoelektronų emisija stebima ir esant ilgesniems bangos ilgiams už ribinį bangos ilgį, nors ir su nedideliu skaičiumi skleidžiantys elektronus. Esant itin dideliam krentančios spinduliuotės intensyvumui (daugiau nei 1 W/cm 2 ), šie dėsniai taip pat pažeidžiami, nes daugiafotonų procesų sunkumas tampa akivaizdus ir reikšmingas.
Fiziškai fotoelektronų emisijos reiškinys yra trys iš eilės vykstantys procesai.
Pirma, krintantis fotonas yra absorbuojamas medžiagos, todėl medžiagos viduje atsiranda elektronas, kurio energija didesnė už vidutinę tūrį. Šis elektronas juda į kūno paviršių ir pakeliui dalis jo energijos išsisklaido, nes pakeliui toks elektronas sąveikauja su kitais elektronais ir kristalinės gardelės virpesiais. Galiausiai elektronas patenka į vakuumą ar kitą terpę už kūno ribų, praeidamas per potencialų barjerą, esantį riboje tarp šių dviejų terpių.
Kaip būdinga metalams, matomoje ir ultravioletinėje spektro dalyse fotonus sugeria laidumo elektronai. Puslaidininkiams ir dielektrikams elektronai sužadinami iš valentinės juostos. Bet kokiu atveju kiekybinė fotoelektronų emisijos charakteristika yra kvantinė išeiga – Y – elektronų, išspinduliuotų vienam kritusiam fotonui, skaičius.
Kvantinė išeiga priklauso nuo medžiagos savybių, nuo jos paviršiaus būklės, taip pat nuo krintančių fotonų energijos.
Metaluose fotoelektronų emisijos ilgosios bangos ribą lemia elektrono nuo jų paviršiaus darbo funkcija.Dauguma švarių paviršių metalų darbinė funkcija yra didesnė nei 3 eV, o šarminių metalų darbinė funkcija – nuo 2 iki 3 eV.
Dėl šios priežasties fotoelektronų emisiją nuo šarminių ir šarminių žemės metalų paviršiaus galima stebėti net apšvitinus fotonais matomoje spektro srityje, o ne tik UV. Paprastuose metaluose fotoelektronų emisija įmanoma tik pradedant nuo UV dažnių.
Tai naudojama metalo darbinei funkcijai sumažinti: ant paprasto metalo nusėda šarminių ir šarminių žemių metalų plėvelė (monoatominis sluoksnis), todėl raudona fotoelektronų emisijos riba perkeliama į ilgesnių bangų sritį.
Kvantinė išeiga Y, būdinga metalams beveik UV ir matomuose regionuose, yra mažesnė nei 0, 001 elektrono / fotono, nes fotoelektronų nuotėkio gylis yra mažas, palyginti su metalo šviesos sugerties gyliu.Liūto dalis fotoelektronų išsklaido savo energiją net nepriartėdami prie metalo išėjimo ribos, prarasdami bet kokią galimybę išeiti.
Jei fotonų energija yra arti fotoemisijos slenksčio, tada dauguma elektronų bus sužadinami energija, mažesnėje už vakuumo lygį, ir jie neprisidės prie fotoemisijos srovės. Be to, atspindžio koeficientas artimoje UV ir matomoje srityje metalams yra per didelis, todėl metalas apskritai sugers tik labai mažą spinduliuotės dalį. Tolimojoje UV srityje šios ribos mažėja ir Y pasiekia 0,01 elektrono/fotono, kai fotonų energija viršija 10 eV.
Paveiksle parodyta gryno vario paviršiaus fotoemisijos kvantinės išeigos spektrinė priklausomybė:
Metalinio paviršiaus užteršimas sumažina fotosrovę ir perkelia raudoną ribą į ilgesnio bangos ilgio sritį; tuo pačiu metu tolimoje UV srityje tokiomis sąlygomis Y gali padidėti.
Fotoelektroninė spinduliuotė pritaikoma fotoelektroniniuose įrenginiuose, kurie įvairių diapazonų elektromagnetinius signalus paverčia elektros srovėmis ir įtampomis. Pavyzdžiui, vaizdas nematomuose infraraudonųjų spindulių signaluose gali būti paverstas matomu naudojant įrenginį, kuris veikia remiantis fotoelektronų emisijos reiškiniu. Taip pat veikia fotoelektroninė spinduliuotė fotoelementuose, įvairiuose elektroniniuose-optiniuose keitikliuose, fotodaugintuvuose, fotorezistoriuose, fotodioduose, elektronų pluošto vamzdeliuose ir kt.
Taip pat žiūrėkite:Kaip vyksta saulės energijos pavertimo elektros energija procesas