Фотоелектронско зрачење — физичко значење, закони и примена
Феномен емисије фотоелектрона (или спољашњег фотоелектричног ефекта) је експериментално открио 1887. Хајнрих Херц током експеримента са отвореном шупљином. Када је Херц усмерио ултраљубичасто зрачење на цинкове варнице, истовремено је пролазак електричне варнице кроз њих био приметно лакши.
Тако, фотоелектронско зрачење се може назвати процесом емисије електрона у вакууму (или у другом медију) из чврстих или течних тела под утицајем електромагнетног зрачења које пада на њих. Најзначајнија у пракси је емисија фотоелектрона из чврстих тела — у вакууму.
1. Електромагнетно зрачење са константним спектралним саставом које пада на фотокатоду изазива засићену фотострују И, чија је вредност пропорционална зрачењу катоде, односно број фотоелектрона који су нокаутирани (емитовани) у 1 секунди је пропорционалан интензитет упадног зрачења Ф.
2.За сваку супстанцу, у складу са њеном хемијском природом и са одређеним стањем њене површине, који одређују радну функцију Ф електрона из дате супстанце, постоји дуготаласна (црвена) граница фотоелектронског зрачења, тј. , минимална фреквенција в0 испод које је фотоелектрични ефекат немогућ.
3. Максимална почетна брзина фотоелектрона одређена је фреквенцијом упадног зрачења и не зависи од његовог интензитета. Другим речима, максимална кинетичка енергија фотоелектрона расте линеарно са повећањем фреквенције упадног зрачења и не зависи од интензитета овог зрачења.
Закони спољашњег фотоелектричног ефекта би у принципу били стриктно задовољени само на температури апсолутне нуле, док се у ствари, при Т > 0 К, емисија фотоелектрона примећује и на таласним дужинама дужим од граничне таласне дужине, иако са малим бројем емитујући електроне. При изузетно високом интензитету упадног зрачења (више од 1 В/цм 2 ), ови закони се такође крше, пошто озбиљност вишефотонских процеса постаје очигледна и значајна.
Физички, феномен емисије фотоелектрона су три узастопна процеса.
Прво, упадни фотон апсорбује супстанца, услед чега се унутар супстанце појављује електрон чија је енергија већа од просечне запремине. Овај електрон се креће до површине тела и успут се део његове енергије распршује, јер на путу такав електрон ступа у интеракцију са другим електронима и вибрацијама кристалне решетке. Коначно, електрон улази у вакуум или другу средину ван тела, пролазећи кроз потенцијалну баријеру на граници између ова два медијума.
Као што је типично за метале, у видљивом и ултраљубичастом делу спектра фотоне апсорбују електрони проводљивости. За полупроводнике и диелектрике, електрони се побуђују из валентног појаса. У сваком случају, квантитативна карактеристика емисије фотоелектрона је квантни принос — И — број електрона емитованих по упадном фотону.
Квантни принос зависи од својстава супстанце, од стања њене површине, као и од енергије упадних фотона.
Код метала је дуготаласна граница емисије фотоелектрона одређена радом рада електрона са њихове површине.Већина метала чистих површина има радну функцију изнад 3 еВ, док алкални метали имају радну функцију од 2 до 3 еВ.
Из тог разлога, фотоелектронска емисија са површине алкалних и земноалкалних метала може се посматрати чак и када су озрачени фотонима у видљивом делу спектра, а не само УВ. Док је у обичним металима, емисија фотоелектрона могућа само почевши од УВ фреквенција.
Ово се користи за смањење радне функције метала: филм (моноатомски слој) алкалних и земноалкалних метала се таложи на обичан метал и тако се црвена граница емисије фотоелектрона помера у област дужих таласа.
Квантни принос И карактеристичан за метале у блиској УВ и видљивој области је реда мање од 0,001 електрон/фотон јер је дубина цурења фотоелектрона мала у поређењу са дубином апсорпције светлости метала.Лавовски део фотоелектрона распршује своју енергију пре него што се приближи излазној граници метала, губећи сваку шансу за излазак.
Ако је енергија фотона близу прага фотоемисије, тада ће већина електрона бити узбуђена при енергијама испод нивоа вакуума и неће допринети струји фотоемисије. Поред тога, коефицијент рефлексије у блиској УВ и видљивој области је превисок за метале, тако да ће метал уопште апсорбовати само веома мали део зрачења. У далеком УВ региону ове границе се смањују и И достиже 0,01 електрон/фотон при енергијама фотона изнад 10 еВ.
На слици је приказана спектрална зависност квантног приноса фотоемисије за површину чистог бакра:
Контаминација металне површине смањује фотострују и помера црвену границу на регион дуже таласне дужине; у исто време, за удаљени УВ регион под овим условима, И може порасти.
Фотоелектронско зрачење налази примену у фотоелектронским уређајима који претварају електромагнетне сигнале различитих опсега у електричне струје и напоне. На пример, слика у невидљивим инфрацрвеним сигналима може се конвертовати у видљиву помоћу уређаја који ради на основу феномена емисије фотоелектрона. Фотоелектронско зрачење такође функционише у фотоћелијама, у разним електронско-оптичким претварачима, у фотомултипликаторима, фотоотпорницима, фотодиодама, у цевима са електронским снопом итд.
Такође видети:Како функционише процес претварања сунчеве енергије у електричну енергију