Efekt fotoelektryczny - Photoelectric effect

Emisja elektronów z metalowej płytki wywołana przez kwanty światła – fotony.

Efekt fotoelektryczny to emisja elektronów, gdy promieniowanie elektromagnetyczne , takie jak światło , uderza w materiał. Emitowane w ten sposób elektrony nazywane są fotoelektronami. Zjawisko to jest badane w fizyce materii skondensowanej , ciele stałym i chemii kwantowej w celu wyciągnięcia wniosków na temat właściwości atomów, cząsteczek i ciał stałych. Efekt znalazł zastosowanie w urządzeniach elektronicznych specjalizujących się w wykrywaniu światła i precyzyjnie zsynchronizowanej emisji elektronów.

Wyniki eksperymentalne nie zgadzają się z klasycznym elektromagnetyzmem , który przewiduje, że ciągłe fale świetlne przekazują energię elektronom, które następnie zostaną wyemitowane, gdy zgromadzą wystarczającą ilość energii. Zmiana natężenia światła teoretycznie zmieniłaby energię kinetyczną emitowanych elektronów, przy wystarczająco słabym świetle, co skutkowałoby opóźnioną emisją. Wyniki eksperymentalne pokazują natomiast, że elektrony są usuwane tylko wtedy, gdy światło przekracza określoną częstotliwość — niezależnie od intensywności światła lub czasu ekspozycji. Ponieważ wiązka o niskiej częstotliwości o dużym natężeniu nie może zgromadzić energii potrzebnej do wytworzenia fotoelektronów, tak jak gdyby energia światła pochodziła z fali ciągłej, Albert Einstein zaproponował, że wiązka światła nie jest falą rozchodzącą się w przestrzeni , ale rój dyskretnych pakietów energii, znanych jako fotony .

Emisja elektronów przewodzących z typowych metali wymaga kilku elektronowowoltowych (eV) kwantów światła, odpowiadających krótkofalowemu światłu widzialnemu lub ultrafioletowemu. W skrajnych przypadkach emisje są indukowane fotonami bliskimi energii zerowej, jak w układach z ujemnym powinowactwem elektronowym i emisją ze stanów wzbudzonych, lub fotonów kilkuset keV dla elektronów rdzenia w pierwiastkach o wysokiej liczbie atomowej . Badanie efektu fotoelektrycznego doprowadziło do ważnych kroków w zrozumieniu kwantowej natury światła i elektronów oraz wpłynęło na ukształtowanie się koncepcji dualizmu falowo-cząsteczkowego . Inne zjawiska, w których światło wpływa na ruch ładunków elektrycznych, obejmują efekt fotoprzewodzący, efekt fotowoltaiczny i efekt fotoelektrochemiczny .

Mechanizm emisji

Fotony wiązki światła mają charakterystyczną energię, zwaną energią fotonów , która jest proporcjonalna do częstotliwości światła. W procesie fotoemisji, gdy elektron w jakimś materiale pochłania energię fotonu i uzyskuje więcej energii niż jego energia wiązania , prawdopodobnie zostanie wyrzucony. Jeśli energia fotonu jest zbyt niska, elektron nie jest w stanie uciec z materiału. Ponieważ wzrost natężenia światła o niskiej częstotliwości zwiększy tylko liczbę fotonów o niskiej energii, ta zmiana natężenia nie stworzy żadnego pojedynczego fotonu o energii wystarczającej do usunięcia elektronu. Co więcej, energia emitowanych elektronów nie będzie zależeć od natężenia wpadającego światła o danej częstotliwości, a jedynie od energii poszczególnych fotonów.

Podczas gdy swobodne elektrony mogą pochłaniać dowolną energię po napromieniowaniu, o ile następuje natychmiastowa reemisja, jak w efekcie Comptona , w układach kwantowych cała energia z jednego fotonu jest pochłaniana — jeśli na ten proces pozwala mechanika kwantowa — lub wcale. Część nabytej energii jest wykorzystywana do uwolnienia elektronu z jego wiązania atomowego, a reszta przyczynia się do energii kinetycznej elektronu jako cząstki swobodnej. Ponieważ elektrony w materiale zajmują wiele różnych stanów kwantowych o różnych energiach wiązania i ponieważ mogą ponosić straty energii w drodze na zewnątrz materiału, emitowane elektrony będą miały zakres energii kinetycznych. Elektrony z najwyższych zajętych stanów będą miały największą energię kinetyczną. W metalach elektrony te będą emitowane z poziomu Fermiego .

Kiedy fotoelektron jest emitowany raczej do ciała stałego niż do próżni, często używa się terminu fotoemisja wewnętrzna , a emisję do próżni rozróżnia się jako fotoemisję zewnętrzną .

Eksperymentalna obserwacja emisji fotoelektrycznej

Chociaż fotoemisja może wystąpić z dowolnego materiału, najłatwiej można ją zaobserwować w przypadku metali i innych przewodników. Dzieje się tak, ponieważ proces ten wytwarza nierównowagę ładunku, która, jeśli nie zostanie zneutralizowana przez przepływ prądu, powoduje wzrost bariery potencjału aż do całkowitego ustania emisji. Bariera energetyczna dla fotoemisji jest zwykle zwiększana przez nieprzewodzące warstwy tlenków na powierzchniach metalowych, dlatego większość praktycznych eksperymentów i urządzeń opartych na efekcie fotoelektrycznym wykorzystuje czyste powierzchnie metalowe w opróżnionych rurach. Próżnia pomaga również w obserwacji elektronów, ponieważ zapobiega utrudnianiu przepływu gazów między elektrodami.

Ponieważ światło słoneczne, ze względu na pochłanianie przez atmosferę, nie daje dużo światła ultrafioletowego, światło bogate w promienie ultrafioletowe było kiedyś uzyskiwane przez spalanie magnezu lub z lampy łukowej . W chwili obecnej, lampy rtęciowe , wyładowania gazu szlachetnego lampy UV i częstotliwości radiowej plazmowe źródła, laserów ultrafioletowych , a synchrotron urządzenie wprowadzające źródła światła rozstrzygający.

Schemat eksperymentu demonstrujący efekt fotoelektryczny. Przefiltrowane, monochromatyczne światło o określonej długości fali pada na elektrodę emitującą (E) wewnątrz rury próżniowej. Elektroda kolektora (C) jest spolaryzowana do napięcia V C, które można ustawić tak, aby przyciągało emitowane elektrony, gdy są dodatnie, lub zapobiegać dotarciu któregokolwiek z nich do kolektora, gdy są ujemne.

Klasyczna konfiguracja do obserwacji efektu fotoelektrycznego obejmuje źródło światła, zestaw filtrów do monochromatyzacji światła, rurę próżniową przezroczystą dla światła ultrafioletowego, elektrodę emitującą (E) wystawioną na światło oraz kolektor (C), którego napięcie V C może być sterowany zewnętrznie.

Dodatnie napięcie zewnętrzne jest używane do kierowania fotoemitowanych elektronów na kolektor. Jeżeli częstotliwość i natężenie padającego promieniowania są stałe, prąd fotoelektryczny I rośnie wraz ze wzrostem napięcia dodatniego, ponieważ coraz więcej elektronów jest kierowanych na elektrodę. Gdy nie można zebrać dodatkowych fotoelektronów, prąd fotoelektryczny osiąga wartość nasycenia. Prąd ten może wzrosnąć tylko wraz ze wzrostem natężenia światła.

Rosnące napięcie ujemne uniemożliwia dotarcie do kolektora wszystkich elektronów poza najwyższą energią. Gdy przez lampę nie obserwuje się prądu, napięcie ujemne osiągnęło wartość wystarczająco wysoką, aby spowolnić i zatrzymać najbardziej energetyczne fotoelektrony o energii kinetycznej K max . Ta wartość napięcia opóźniającej nazywany jest zatrzymanie potencjał lub cut off potencjalnej V O . Ponieważ praca wykonywana przez potencjalnego opóźniacza w zatrzymywania elektronowego ładunku e jest eV O dodaje musi posiadać eV O  =  K max.

Krzywa prąd-napięcie jest sigmoidalna, ale jej dokładny kształt zależy od geometrii eksperymentu i właściwości materiału elektrody.

Dla danej powierzchni metalu istnieje pewna minimalna częstotliwość padającego promieniowania, poniżej której fotoelektrony nie są emitowane. Ta częstotliwość nazywana jest częstotliwością progową . Zwiększenie częstotliwości wiązki padającej zwiększa maksymalną energię kinetyczną emitowanych fotoelektronów, a napięcie hamowania musi wzrosnąć. Liczba wyemitowanych elektronów może również ulec zmianie, ponieważ prawdopodobieństwo, że każdy foton spowoduje wyemitowany elektron, jest funkcją energii fotonu.

Wzrost natężenia tego samego światła monochromatycznego (o ile natężenie nie jest zbyt duże), proporcjonalny do liczby fotonów uderzających w powierzchnię w danym czasie, zwiększa szybkość wyrzucania elektronów – fotoelektryk prąd I- ale energia kinetyczna fotoelektronów i napięcie zatrzymania pozostają takie same. Dla danego metalu i częstotliwości padającego promieniowania szybkość wyrzucania fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego światła.

Opóźnienie czasowe między padaniem promieniowania a emisją fotoelektronu jest bardzo małe, mniej niż 10-9 sekund. Rozkład kątowy fotoelektronów jest silnie uzależniony od polaryzacji (kierunku pola elektrycznego) padającego światła, a także od właściwości kwantowych emitującego materiału, takich jak atomowe i molekularne symetrie orbitalne oraz elektronowa struktura pasmowa krystalicznych ciał stałych. W materiałach bez porządku makroskopowego rozkład elektronów ma tendencję do pikowania w kierunku polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo. Techniką eksperymentalną, która umożliwia pomiar tych rozkładów w celu wywnioskowania właściwości materiału, jest spektroskopia fotoemisyjna z rozdzielczością kątową .

Wyjaśnienie teoretyczne

Wykres maksymalnej energii kinetycznej w funkcji częstotliwości światła na cynku.

W 1905 Einstein zaproponował teorię efektu fotoelektrycznego, wykorzystując koncepcję wysuniętą przez Maxa Plancka, że światło składa się z maleńkich pakietów energii znanych jako fotony lub kwanty światła. Każdy pakiet przenosi energię proporcjonalną do częstotliwości odpowiedniej fali elektromagnetycznej. Stała proporcjonalności stała się znana jako stała Plancka . Maksymalna energia kinetyczna elektronów, które dostarczyły tyle energii, zanim zostały usunięte z ich wiązania atomowego, wynosi

gdzie jest minimalna energia wymagana do usunięcia elektronu z powierzchni materiału. Nazywa się to funkcją pracy powierzchni i jest czasami oznaczane lub . Jeśli funkcja pracy jest zapisana jako
wzór na maksymalną energię kinetyczną wyrzucanych elektronów staje się

Energia kinetyczna jest dodatnia i jest wymagana do wystąpienia efektu fotoelektrycznego. Częstotliwość to częstotliwość progowa dla danego materiału. Powyżej tej częstotliwości maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów oraz napięcie zatrzymania w eksperymencie rosną liniowo wraz z częstotliwością i nie są zależne od liczby fotonów i natężenia padającego światła monochromatycznego. Formuła Einsteina, jakkolwiek prosta, wyjaśniała całą fenomenologię efektu fotoelektrycznego i miała dalekosiężne konsekwencje w

rozwoju mechaniki kwantowej .

Fotoemisja z atomów, cząsteczek i ciał stałych

Elektrony związane w atomach, cząsteczkach i ciałach stałych zajmują odrębne stany o dobrze określonych energiach wiązania . Gdy kwanty światła dostarczają więcej niż ta ilość energii do pojedynczego elektronu, elektron może zostać wyemitowany w wolną przestrzeń z nadmiarem energii (kinetycznej), która jest wyższa niż energia wiązania elektronu. Rozkład energii kinetycznych odzwierciedla zatem rozkład energii wiązania elektronów w układzie atomowym, molekularnym lub krystalicznym: elektron emitowany ze stanu o energii wiązania znajduje się w energii kinetycznej . Rozkład ten jest jedną z głównych cech układu kwantowego i może być wykorzystany do dalszych badań z zakresu chemii kwantowej i fizyki kwantowej.

Modele fotoemisji z ciał stałych

Właściwości elektronowe uporządkowanych, krystalicznych ciał stałych są określone przez rozkład stanów elektronowych w odniesieniu do energii i pędu – elektronową strukturę pasmową ciała stałego. Teoretyczne modele fotoemisji z ciał stałych pokazują, że rozkład ten jest w większości zachowany w efekcie fotoelektrycznym. Fenomenologiczny trójetapowy model wzbudzania ultrafioletowym i miękkim promieniowaniem rentgenowskim rozkłada efekt na następujące etapy:

  1. Wewnętrzny efekt fotoelektryczny w masie materiału, który jest bezpośrednim przejściem optycznym między stanem zajętym i niezajętym. Efekt ten podlega kwantowo-mechanicznym zasadom selekcji przejść dipolowych. Dziura pozostawiona za elektronem może wywołać wtórną emisję elektronów, czyli tzw. efekt Augera , który może być widoczny nawet wtedy, gdy pierwotny fotoelektron nie opuszcza materiału. W cząsteczkach stałych fonony są wzbudzane na tym etapie i mogą być widoczne jako linie satelitarne w końcowej energii elektronów.
  2. Propagacja elektronów do powierzchni, na której część elektronów może zostać rozproszona z powodu oddziaływań z innymi składnikami ciała stałego. Elektrony, które powstają głębiej w ciele stałym, są znacznie bardziej podatne na zderzenia i pojawiają się ze zmienioną energią i pędem. Ich droga wolna od średniej jest uniwersalną krzywą zależną od energii elektronu.
  3. Elektron ucieka przez barierę powierzchniową do stanów próżni podobnych do wolnych elektronów. W tym kroku elektron traci energię w ilości funkcji pracy powierzchni i cierpi z powodu utraty pędu w kierunku prostopadłym do powierzchni. Ponieważ energię wiązania elektronów w ciałach stałych dogodnie wyraża się w odniesieniu do najwyższego zajętego stanu przy energii Fermiego , a różnica w energii wolnej przestrzeni (próżni) jest funkcją pracy powierzchni, energia kinetyczna emitowanych elektronów z brył zwykle zapisuje się jako .

Istnieją przypadki, w których trzyetapowy model nie wyjaśnia osobliwości rozkładów natężenia fotoelektronów. Bardziej rozbudowany model jednoetapowy traktuje efekt jako spójny proces fotowzbudzenia do stanu końcowego skończonego kryształu, dla którego funkcja falowa jest podobna do swobodnego elektronu na zewnątrz kryształu, ale ma zanikającą otoczkę wewnątrz.

Historia

19 wiek

W 1839 roku Alexandre Edmond Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny podczas badania wpływu światła na ogniwa elektrolityczne . Choć nie jest to odpowiednik efektu fotoelektrycznego, jego prace nad fotowoltaiką odegrały zasadniczą rolę w wykazaniu silnego związku między światłem a właściwościami elektronicznymi materiałów. W 1873 r. Willoughby Smith odkrył fotoprzewodnictwo w selenu podczas testowania metalu pod kątem jego wysokich właściwości rezystancyjnych w połączeniu z jego pracą dotyczącą podmorskich kabli telegraficznych.

Johann Elster (1854-1920) i Hans Geitel (1855-1923), studenci w Heidelbergu , zbadali wpływ światła na ciała naelektryzowane i opracowali pierwsze praktyczne komórki fotoelektryczne, które można wykorzystać do pomiaru natężenia światła. Ułożyli metale ze względu na ich zdolność rozładowywania elektryczności ujemnej: rubid , potas , stop potasu i sodu, sód , lit , magnez , tal i cynk ; w przypadku miedzi , platyny , ołowiu , żelaza , kadmu , węgla i rtęci efekty przy zwykłym świetle były zbyt małe, aby można je było zmierzyć. Kolejność metali dla tego efektu była taka sama jak w serii Volty dla elektryczności kontaktowej, najbardziej elektrododatnich metali dających największy efekt fotoelektryczny.

Elektroskop ze złotymi listkami do zademonstrowania efektu fotoelektrycznego. Gdy elektroskop jest naładowany ujemnie, występuje nadmiar elektronów i liście są oddzielone. Jeśli na nasadkę świeci światło o wysokiej częstotliwości (takie jak światło ultrafioletowe uzyskiwane z lampy łukowej lub przez spalanie magnezu, albo przez użycie cewki indukcyjnej między końcówkami cynkowymi lub kadmowymi w celu wytworzenia iskrzenia) na nasadkę, elektroskop wyładowuje się, a liście opadają bezwładnie. Jeśli jednak częstotliwość fal świetlnych jest poniżej wartości progowej dla czapki, liście nie wyładują się, bez względu na to, jak długo świeci się na czapkę.

W 1887 Heinrich Hertz zaobserwował efekt fotoelektryczny i poinformował o wytwarzaniu i odbieraniu fal elektromagnetycznych. Odbiornik w jego aparacie składał się z cewki z iskiernikiem , gdzie po wykryciu fal elektromagnetycznych widoczna byłaby iskra. Umieścił aparat w zaciemnionym pudełku, aby lepiej widzieć iskrę. Zauważył jednak, że maksymalna długość iskry została zmniejszona w pudełku. Szklany panel umieszczony między źródłem fal elektromagnetycznych a odbiornikiem pochłaniał promieniowanie ultrafioletowe, które wspomagało elektrony w przeskakiwaniu przez szczelinę. Po usunięciu długość iskry wzrosłaby. Nie zaobserwował zmniejszenia długości iskry, gdy zastąpił szkło kwarcem, ponieważ kwarc nie pochłania promieniowania UV.

Odkrycia przez Hertz doprowadził do serii badań przez Hallwachs , Hoor, Righiego i Stoletov na efekt światła, zwłaszcza światła ultrafioletowego, na naładowanych ciał. Hallwachs połączył cynkową płytkę z elektroskopem . Pozwolił, by światło ultrafioletowe padało na świeżo oczyszczoną płytkę cynkową i zaobserwował, że płyta cynkowa staje się nienaładowana, jeśli początkowo jest naładowana ujemnie, dodatnio naładowana, jeśli początkowo nie była naładowana, i bardziej dodatnio naładowana, jeśli początkowo jest naładowana dodatnio. Na podstawie tych obserwacji wywnioskował, że niektóre ujemnie naładowane cząstki były emitowane przez cynkową płytkę pod wpływem światła ultrafioletowego.

W odniesieniu do efektu Hertza naukowcy od początku wykazali złożoność zjawiska zmęczenia fotoelektrycznego — postępującego zmniejszania się efektu obserwowanego na świeżych powierzchniach metalicznych. Według Hallwachsa ważną rolę w tym zjawisku odgrywał ozon , a na emisję miał wpływ utlenianie, wilgotność i stopień wypolerowania powierzchni. W tamtym czasie nie było jasne, czy zmęczenie nie występuje w próżni.

W okresie od 1888 do 1891 r. szczegółową analizę fotoefektu przeprowadził Aleksandr Stoletov, której wyniki przedstawiono w sześciu publikacjach. Stoletov wynalazł nowy układ doświadczalny, który był bardziej odpowiedni do ilościowej analizy efektu fotograficznego. Odkrył bezpośrednią proporcjonalność między natężeniem światła a indukowanym prądem fotoelektrycznym (pierwsze prawo fotoefektu lub prawo Stoletowa ). Zmierzył zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od ciśnienia gazu, gdzie stwierdził istnienie optymalnego ciśnienia gazu odpowiadającego maksymalnemu fotoprądowi ; ta właściwość została wykorzystana do tworzenia ogniw słonecznych .

Wiele substancji oprócz metali wyładowuje ujemną energię elektryczną pod wpływem światła ultrafioletowego. GC Schmidt i O. Knoblauch sporządzili listę tych substancji.

W 1899 JJ Thomson zbadał światło ultrafioletowe w rurkach Crookesa . Thomson wywnioskował, że wyrzucane cząstki, które nazwał korpuskułami, mają tę samą naturę co promienie katodowe . Cząstki te później stały się znane jako elektrony. Thomson zamknął metalową płytkę (katodę) w lampie próżniowej i wystawił ją na promieniowanie o wysokiej częstotliwości. Uważano, że oscylujące pola elektromagnetyczne powodują rezonans pola atomów, a po osiągnięciu określonej amplitudy, powodują emisję cząstek subatomowych i wykrywanie prądu. Wielkość tego prądu zmieniała się wraz z intensywnością i kolorem promieniowania. Większe natężenie lub częstotliwość promieniowania wytworzyłoby więcej prądu.

W latach 1886-1902 Wilhelm Hallwachs i Philipp Lenard szczegółowo zbadali zjawisko emisji fotoelektrycznej. Lenard zaobserwował, że prąd przepływa przez próżniową szklaną rurkę zawierającą dwie elektrody, gdy na jedną z nich pada promieniowanie ultrafioletowe. Gdy tylko promieniowanie ultrafioletowe zostanie zatrzymane, prąd również ustaje. To zapoczątkowało koncepcję emisji fotoelektrycznej . Odkrycia jonizacji gazów przez światło ultrafioletowe dokonał w 1900 r. Philipp Lenard. Ponieważ efekt ten występował w kilku centymetrach powietrza i dawał większą liczbę jonów dodatnich niż ujemnych, naturalne było zinterpretowanie tego zjawiska jako JJ Thomson tak jak efekt Hertza na cząstki obecne w gazie.

XX wiek

W 1902 Lenard zaobserwował, że energia poszczególnych emitowanych elektronów wzrasta wraz z częstotliwością (która jest związana z kolorem ) światła. Wydawało się to sprzeczne z falową teorią światła Maxwella , która przewidywała, że ​​energia elektronów będzie proporcjonalna do natężenia promieniowania.

Lenard zaobserwował zmienność energii elektronów z częstotliwością światła za pomocą potężnej lampy łukowej, która umożliwiła mu badanie dużych zmian natężenia i miała wystarczającą moc, aby umożliwić mu zbadanie zmienności potencjału elektrody z częstotliwością światła. Znalazł energię elektronu, odnosząc ją do maksymalnego potencjału hamowania (napięcia) w fototubie. Odkrył, że maksymalna energia kinetyczna elektronu zależy od częstotliwości światła. Na przykład wzrost częstotliwości powoduje wzrost maksymalnej energii kinetycznej obliczonej dla elektronu po wyzwoleniu – promieniowanie ultrafioletowe wymagałoby większego przyłożonego potencjału hamowania do zatrzymania prądu w fototubie niż światło niebieskie. Jednak wyniki Lenarda były raczej jakościowe niż ilościowe ze względu na trudność w przeprowadzaniu eksperymentów: eksperymenty musiały być wykonane na świeżo ściętym metalu, aby można było zaobserwować czysty metal, ale utleniał się on w ciągu kilku minut nawet w częściowej próżni. używany. Prąd emitowany przez powierzchnię był determinowany intensywnością światła lub jasnością: podwojenie intensywności światła podwoiło liczbę elektronów emitowanych z powierzchni.

Badania Langevina i Eugene'a Blocha wykazały, że większa część efektu Lenarda jest z pewnością spowodowana efektem Hertza . Niemniej jednak efekt Lenarda na sam gaz istnieje. Odkryta przez JJ Thomsona, a następnie bardziej zdecydowanie przez Frederica Palmera, Jr., fotoemisja gazu została zbadana i wykazywała zupełnie inne właściwości niż te, które początkowo przypisywał jej Lenard.

W 1900 roku, badając promieniowanie ciała doskonale czarnego , niemiecki fizyk Max Planck zasugerował w swoim artykule „ O prawie dystrybucji energii w normalnym widmie ”, że energia niesiona przez fale elektromagnetyczne może być uwalniana tylko w pakietach energii. W 1905 roku Albert Einstein opublikował artykuł wysuwający hipotezę, że energia świetlna jest przenoszona w dyskretnych skwantowanych pakietach, aby wyjaśnić dane eksperymentalne z efektu fotoelektrycznego. Einstein wysunął teorię, że energia każdego kwantu światła jest równa częstotliwości światła pomnożonej przez stałą, zwaną później stałą Plancka . Foton powyżej częstotliwości progowej ma energię wymaganą do wyrzucenia pojedynczego elektronu, tworząc obserwowany efekt. Był to kluczowy krok w rozwoju mechaniki kwantowej . W 1914 roku eksperyment Millikana poparł model efektu fotoelektrycznego Einsteina. Einstein otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1921

r. za „odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego”, a Robert Millikan otrzymał Nagrodę Nobla w 1923 r. za „pracę nad elementarnym ładunkiem elektryczności i efektem fotoelektrycznym”. W teorii zaburzeń kwantowych atomów i ciał stałych, na które oddziałuje promieniowanie elektromagnetyczne, efekt fotoelektryczny jest nadal powszechnie analizowany w kategoriach fal; te dwa podejścia są równoważne, ponieważ absorpcja fotonu lub fali może nastąpić tylko między skwantowanymi poziomami energii, których różnica energii jest równa energii fotonu.

Matematyczny opis Alberta Einsteina, w jaki sposób efekt fotoelektryczny został wywołany przez absorpcję kwantów światła, znajduje się w jednym z jego artykułów Annus Mirabilis , zatytułowanym „ O heurystycznym punkcie widzenia dotyczącym produkcji i transformacji światła ”. W artykule zaproponowano prosty opis kwantów światła , czyli fotonów, oraz pokazano, jak wyjaśniają one takie zjawiska, jak efekt fotoelektryczny. Jego proste wyjaśnienie w zakresie absorpcji dyskretnych kwantów światła zgadzało się z wynikami eksperymentów. Wyjaśniło to, dlaczego energia fotoelektronów zależała tylko od częstotliwości padającego światła, a nie od jego natężenia : przy niskim natężeniu źródło o wysokiej częstotliwości mogło dostarczyć kilka fotonów o wysokiej energii, podczas gdy przy wysokim natężeniu źródło częstotliwości nie dostarczyłoby żadnych fotonów o wystarczającej indywidualnej energii, aby usunąć jakiekolwiek elektrony. Był to ogromny skok teoretyczny, ale koncepcja ta spotkała się początkowo z silnym sprzeciwem, ponieważ była sprzeczna z falową teorią światła, która wynikała naturalnie z równań elektromagnetyzmu Jamesa Clerka Maxwella , a bardziej ogólnie z założenia o nieskończonej podzielności energii w układach fizycznych. . Nawet po tym, jak eksperymenty wykazały, że równania Einsteina dotyczące efektu fotoelektrycznego były dokładne, opór wobec idei fotonów trwał nadal.

Praca Einsteina przewidywała, że ​​energia pojedynczych wyrzucanych elektronów wzrasta liniowo wraz z częstotliwością światła. Być może zaskakujące, że dokładny związek nie był w tym czasie testowany. Już w 1905 było wiadomo, że energia fotoelektronów wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości padającego światła i jest niezależna od natężenia światła. Jednak sposób wzrostu nie został eksperymentalnie określony aż do 1914 roku, kiedy Robert Andrews Millikan wykazał, że przewidywania Einsteina były prawidłowe.

Efekt fotoelektryczny pomógł w rozwinięciu powstającej wówczas koncepcji dualizmu falowo-cząsteczkowego w naturze światła. Światło jednocześnie posiada właściwości zarówno fal, jak i cząstek, z których każda manifestuje się w zależności od okoliczności. Efekt był niemożliwy do zrozumienia w kategoriach klasycznego falowego opisu światła, ponieważ energia emitowanych elektronów nie zależała od natężenia padającego promieniowania. Teoria klasyczna przewidywała, że ​​elektrony będą „zbierać” energię przez pewien czas, a następnie być emitowane.

Zastosowania i efekty

Fotopowielacze

Fotopowielacz

Są to niezwykle światłoczułe lampy próżniowe z powlekaną fotokatodą wewnątrz koperty. Fotokatoda zawiera kombinację materiałów, takich jak cez, rubid i antymon, specjalnie dobranych tak, aby zapewnić niską pracę, więc po oświetleniu nawet bardzo niskim poziomem światła fotokatoda łatwo uwalnia elektrony. Za pomocą szeregu elektrod (dynod) o coraz wyższych potencjałach, te elektrony są przyspieszane i znacznie zwiększa się ich liczba poprzez emisję wtórną, aby zapewnić łatwo wykrywalny prąd wyjściowy. Fotopowielacze są nadal powszechnie stosowane wszędzie tam, gdzie konieczne jest wykrycie niskiego poziomu światła.

Czujniki obrazu

W pierwszych dniach telewizji lampy do kamer wideo wykorzystywały efekt fotoelektryczny, na przykład „ Image dissectorPhilo Farnswortha wykorzystywał ekran naładowany efektem fotoelektrycznym do przekształcenia obrazu optycznego w zeskanowany sygnał elektroniczny.

Spektroskopia fotoelektronów

Eksperyment ze spektroskopią kątowo -rozdzielczą fotoemisyjną ( ARPES ). Helowa lampa wyładowcza oświetla próbkę światłem ultrafioletowym w ultrawysokiej próżni. Hemisferyczny analizator elektronów mierzy rozkład wyrzucanych elektronów pod względem energii i pędu.

Ponieważ energia kinetyczna emitowanych elektronów jest dokładnie energią padającego fotonu minus energia wiązania elektronu w atomie, cząsteczce lub ciele stałym, energię wiązania można określić, oświetlając monochromatyczne promieniowanie rentgenowskie lub UV znanego energii i pomiaru energii kinetycznych fotoelektronów. Rozkład energii elektronów jest cenny do badania właściwości kwantowych tych układów. Może być również wykorzystany do określenia składu pierwiastkowego próbek. W przypadku ciał stałych mierzy się energię kinetyczną i rozkład kątów emisji fotoelektronów w celu pełnego określenia struktury pasmowej elektronów pod względem dopuszczalnych energii wiązania i pędów elektronów. Nowoczesne przyrządy do kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej są w stanie mierzyć te wielkości z dokładnością lepszą niż 1 meV i 0,1°.

Pomiary

spektroskopii fotoelektronów są zwykle wykonywane w środowisku o wysokiej próżni, ponieważ elektrony byłyby rozpraszane przez cząsteczki gazu, gdyby były obecne. Jednak niektóre firmy sprzedają teraz produkty, które umożliwiają fotoemisję w powietrzu. Źródłem światła może być laser, rura wyładowcza lub źródło promieniowania synchrotronowego .

Koncentryczne półkulisty analizator jest analizatorem typowa energia elektronów. Wykorzystuje pole elektryczne między dwiema półkulami do zmiany (rozproszenia) trajektorii padających elektronów w zależności od ich energii kinetycznych.

Noktowizory

Fotony uderzające w cienką warstwę metalu alkalicznego lub materiału półprzewodnikowego , takiego jak arsenek galu w lampie wzmacniacza obrazu , powodują wyrzucanie fotoelektronów w wyniku efektu fotoelektrycznego. Są one przyspieszane przez pole elektrostatyczne, w którym uderzają w ekran pokryty luminoforem , przekształcając elektrony z powrotem w fotony. Wzmocnienie sygnału uzyskuje się albo poprzez przyspieszenie elektronów, albo poprzez zwiększenie liczby elektronów poprzez emisje wtórne, takie jak płytka mikrokanałowa . Czasami stosuje się kombinację obu metod. Do przeniesienia elektronu poza pasmo przewodnictwa do poziomu próżni wymagana jest dodatkowa energia kinetyczna. Jest to znane jako powinowactwo elektronowe fotokatody i jest kolejną barierą dla fotoemisji inną niż zabronione pasmo, wyjaśnioną przez model pasma wzbronionego . Niektóre materiały, takie jak arsenek galu, mają efektywne powinowactwo elektronowe, które jest poniżej poziomu pasma przewodnictwa. W tych materiałach elektrony, które przemieszczają się do pasma przewodnictwa, mają wystarczającą energię do wyemitowania z materiału, więc warstewka pochłaniająca fotony może być dość gruba. Materiały te są znane jako materiały o ujemnym powinowactwie elektronowym.

Statek kosmiczny

Efekt fotoelektryczny spowoduje, że statek kosmiczny wystawiony na działanie światła słonecznego wytworzy ładunek dodatni. Może to stanowić poważny problem, ponieważ inne części statku kosmicznego znajdują się w cieniu, co spowoduje, że statek kosmiczny wytworzy ładunek ujemny z pobliskiej plazmy. Nierównowaga może się rozładować przez delikatne elementy elektryczne. Ładunek elektrostatyczny utworzony przez efekt fotoelektryczny jest samoistnie ponieważ wyżej naładowanych obiekt nie dają się tak łatwo elektrony jak niższy pobierana przedmiot nie.

Księżycowy pył

Światło słoneczne uderzające w pył księżycowy powoduje, że zostaje on naładowany dodatnio z efektu fotoelektrycznego. Naładowany pył następnie odpycha się i unosi z powierzchni Księżyca przez lewitację elektrostatyczną . Przejawia się to prawie jak "atmosfera pyłu", widoczna jako cienka mgła i rozmycie odległych cech oraz widoczna jako przyćmiona poświata po zachodzie słońca. Zostało to po raz pierwszy sfotografowane przez sondy programu Surveyor w latach 60. XX wieku, a ostatnio łazik Chang'e 3 zaobserwował osadzanie się pyłu na skałach księżycowych o wysokości około 28 cm. Uważa się, że najmniejsze cząstki są odpychane kilometry od powierzchni i poruszają się w „fontannie” podczas ładowania i rozładowywania.

Procesy konkurencyjne i przekrój fotoemisyjny

Gdy energie fotonów są tak wysokie, jak energia spoczynkowa elektronów 511 keV może mieć miejsce jeszcze inny proces, rozpraszanie Comptona . Powyżej dwukrotnie tej energii, w Bardziej prawdopodobna jest również produkcja par 1,022 MeV . Rozproszenie Comptona i produkcja par to przykłady dwóch innych konkurencyjnych mechanizmów.

Nawet jeśli efekt fotoelektryczny jest preferowaną reakcją dla określonego oddziaływania pojedynczego fotonu z elektronem związanym, wynik również podlega statystyce kwantowej i nie jest gwarantowany. Prawdopodobieństwo wystąpienia efektu fotoelektrycznego mierzone jest przekrojem oddziaływania σ. Stwierdzono, że jest to funkcja liczby atomowej atomu docelowego i energii fotonu. W przybliżonym przybliżeniu, dla energii fotonów powyżej najwyższej energii wiązania atomów, przekrój jest określony wzorem:

Tutaj Z jest liczbą atomową, a n jest liczbą, która waha się od 4 do 5. Efekt fotoelektryczny gwałtownie traci na znaczeniu w obszarze promieniowania gamma wraz ze wzrostem energii fotonu. Jest to również bardziej prawdopodobne z pierwiastków o dużej liczbie atomowej. W konsekwencji materiały o wysokiej zawartości Z tworzą dobre osłony przed promieniowaniem gamma , co jest głównym powodem, dla którego ołów ( Z = 82) jest preferowany i najczęściej stosowany.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Aplety