Фотоэлектрический эффект

Не путать с фотоэлектрическим эффектом .

Фотоэмиссия электронов из металлической пластины, сопровождающаяся поглощением квантов света – фотонов.

Фотоэлектрический эффект — это эмиссия электронов из материала, вызванная электромагнитным излучением, например ультрафиолетовым светом . Электроны, испускаемые таким образом, называются фотоэлектронами. Это явление изучается в физике конденсированного состояния , твердого тела и квантовой химии , чтобы сделать выводы о свойствах атомов, молекул и твердых тел. Этот эффект нашел применение в электронных устройствах, специализирующихся на обнаружении света и точно рассчитанной эмиссии электронов.

Результаты эксперимента противоречат классическому электромагнетизму , который предсказывает, что непрерывные световые волны передают энергию электронам, которые затем испускаются, когда накапливают достаточно энергии. Изменение интенсивности света теоретически изменит кинетическую энергию испускаемых электронов, при этом достаточно тусклый свет приведет к задержке эмиссии. Вместо этого экспериментальные результаты показывают, что электроны вытесняются только тогда, когда свет превышает определенную частоту — независимо от интенсивности света или продолжительности воздействия. Поскольку низкочастотный луч высокой интенсивности не накапливает энергию, необходимую для производства фотоэлектронов, как это было бы в случае, если бы энергия света накапливалась с течением времени из непрерывной волны, Альберт Эйнштейн предположил, что луч света не является волной, распространяющейся через пространство, а рой дискретных энергетических пакетов, известных как фотоны — термин, придуманный Гилбертом Н. Льюисом в 1926 году.

Для эмиссии электронов проводимости из типичных металлов требуется несколько квантов света в электрон-вольтах (эВ), что соответствует коротковолновому видимому или ультрафиолетовому свету. В крайних случаях эмиссия индуцируется фотонами, энергия которых приближается к нулю, как в системах с отрицательным сродством к электрону и эмиссией из возбужденных состояний, или фотонами в несколько сотен кэВ для остовных электронов в элементах с высоким атомным номером . Исследование фотоэффекта привело к важным шагам в понимании квантовой природы света и электронов и повлияло на формирование концепции корпускулярно-волнового дуализма . Другие явления, при которых свет влияет на движение электрических зарядов, включают эффект фотопроводимости , фотоэлектрический эффект и фотоэлектрохимический эффект .

Механизм эмиссии

Фотоны светового луча имеют характеристическую энергию, называемую энергией фотонов , которая пропорциональна частоте света. В процессе фотоэмиссии, когда электрон внутри какого-либо материала поглощает энергию фотона и приобретает больше энергии, чем его энергия связи , он, скорее всего, будет выброшен. Если энергия фотона слишком мала, электрон не сможет покинуть материал. Поскольку увеличение интенсивности низкочастотного света только увеличит количество фотонов низкой энергии, это изменение интенсивности не создаст ни одного фотона с достаточной энергией, чтобы выбить электрон. При этом энергия испускаемых электронов не будет зависеть от интенсивности падающего света данной частоты, а только от энергии отдельных фотонов.

В то время как свободные электроны могут поглощать любую энергию при облучении , если за этим следует немедленное повторное излучение, как в случае с эффектом Комптона , в квантовых системах поглощается вся энергия одного фотона — если этот процесс разрешен квантовой механикой — или вообще нет. электрона Часть полученной энергии используется для освобождения электрона от его атомной связи, а остальная часть способствует кинетической энергии как свободной частицы. Поскольку электроны в материале занимают множество различных квантовых состояний с разными энергиями связи и поскольку они могут нести потери энергии на пути из материала, испускаемые электроны будут иметь диапазон кинетических энергий. Электроны из высших занятых состояний будут иметь наибольшую кинетическую энергию. В металлах эти электроны будут эмитироваться с уровня Ферми .

Когда фотоэлектрон излучается в твердое тело, а не в вакуум, часто используют термин внутренняя фотоэмиссия , а эмиссию в вакуум выделяют как внешнюю фотоэмиссию .

Экспериментальное наблюдение фотоэлектрической эмиссии

Хотя фотоэмиссия может происходить из любого материала, чаще всего ее наблюдают из металлов и других проводников. Это связано с тем, что этот процесс вызывает дисбаланс зарядов, который, если его не нейтрализовать протеканием тока, приводит к увеличению потенциального барьера до тех пор, пока излучение полностью не прекратится. Энергетический барьер фотоэмиссии обычно увеличивается за счет непроводящих оксидных слоев на металлических поверхностях, поэтому в большинстве практических экспериментов и устройств, основанных на фотоэлектрическом эффекте, используются чистые металлические поверхности в вакуумных трубках. Вакуум также помогает наблюдать за электронами, поскольку он не позволяет газам препятствовать их движению между электродами.

Поскольку солнечный свет из-за поглощения атмосферой не дает большого количества ультрафиолетового света, свет, богатый ультрафиолетовыми лучами, раньше получали путем сжигания магния или дуговой лампы . В настоящее время ртутные лампы , газоразрядные УФ-лампы и радиочастотные плазменные источники ультрафиолетовые лазеры , и синхротрона устройство ввода преобладают источники света.

Схема эксперимента по демонстрации фотоэффекта. Отфильтрованный монохроматический свет определенной длины волны падает на излучающий электрод (E) внутри вакуумной трубки. Коллекторный электрод (C) смещен на напряжение V _C , которое можно настроить так, чтобы притягивать испускаемые электроны, когда он положительный, или препятствовать тому, чтобы любой из них достиг коллектора, когда он отрицательный.

Классическая установка для наблюдения фотоэффекта включает источник света, набор фильтров для монохроматизации света, вакуумную трубку, прозрачную для ультрафиолетового света, излучающий электрод (Е), подвергающийся воздействию света, и коллектор (С), напряжение которого V _C можно управлять извне.

Положительное внешнее напряжение используется для направления фотоэмитированных электронов на коллектор. Если частота и интенсивность падающего излучения фиксированы, то фототок I увеличивается с увеличением положительного напряжения, так как на электрод направляется все больше и больше электронов. Когда дополнительные фотоэлектроны не могут быть собраны, фотоэлектрический ток достигает значения насыщения. Этот ток может только увеличиваться с увеличением интенсивности света.

Увеличение отрицательного напряжения предотвращает попадание в коллектор всех электронов, кроме электронов с самой высокой энергией. Когда ток через трубку не наблюдается, отрицательное напряжение достигло значения, достаточно высокого, чтобы замедлить и остановить наиболее энергичные фотоэлектроны с кинетической энергией K _max . Эту величину тормозящего напряжения называют останавливающим потенциалом или отсечки потенциалом V _o . Поскольку работа, совершаемая тормозящим потенциалом по остановке электрона с зарядом e, равна eV _o , должно выполняться следующее eV _o = K _max.

Вольт-амперная кривая имеет сигмоидальную форму, но ее точная форма зависит от геометрии эксперимента и свойств материала электрода.

Для данной металлической поверхности существует определенная минимальная частота падающего излучения , ниже которой фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговой частотой . Увеличение частоты падающего луча увеличивает максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов, и тормозное напряжение должно увеличиваться. Число испускаемых электронов также может меняться, поскольку вероятность того, что каждый фотон приведет к испусканию электрона, является функцией энергии фотона. .

Увеличение интенсивности того же монохроматического света (при условии, что интенсивность не слишком высока). ), который пропорционален числу фотонов, падающих на поверхность в данный момент времени, увеличивает скорость вылета электронов — фотоэлектрический ток I — но кинетическая энергия фотоэлектронов и останавливающее напряжение остаются прежними. Для данного металла и частоты падающего излучения скорость вылета фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

Временной зазор между падением излучения и испусканием фотоэлектрона очень мал, менее 10 ⁻⁹ второй. Угловое распределение фотоэлектронов сильно зависит от поляризации (направления электрического поля) падающего света, а также от квантовых свойств излучающего материала, таких как симметрия атомных и молекулярных орбиталей и электронная зонная структура кристаллических твердых тел. В материалах без макроскопического порядка распределение электронов имеет тенденцию достигать максимума в направлении поляризации линейно поляризованного света. Экспериментальный метод, который может измерить эти распределения и сделать выводы о свойствах материала, — это фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением .

Теоретическое объяснение

График зависимости максимальной кинетической энергии от частоты света на цинке

В 1905 году Эйнштейн предложил теорию фотоэлектрического эффекта, используя концепцию, согласно которой свет состоит из крошечных пакетов энергии, известных как фотоны или кванты света. Каждый пакет несет энергию $h\nu$ что пропорционально частоте $\nu$ соответствующей электромагнитной волны. Константа пропорциональности $h$ стала известна как постоянная Планка . В диапазоне кинетических энергий электронов, которые отрываются от своих изменяющихся атомных связей за счет поглощения фотона энергии $h\nu$, наивысшая кинетическая энергия $K_{\max }$ является $$K_{\max }=h\,\nu -W.$$ Здесь, $W$ – минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности материала. Она называется работой выхода поверхности и иногда обозначается $\Phi$ или $\varphi$. Если работа выхода записана как $$W=h\,\nu _{o},$$ формула для максимальной кинетической энергии выброшенных электронов принимает вид $$K_{\max }=h\left(\nu -\nu _{o}\right).$$

Кинетическая энергия положительна, и $\nu >\nu _{o}$ необходим для возникновения фотоэффекта. Частота $\nu _{o}$ – пороговая частота для данного материала. Выше этой частоты максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, а также останавливающее напряжение в эксперименте. ${\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}$ возрастают линейно с частотой и не зависят от числа фотонов и интенсивности падающего монохроматического света. Формула Эйнштейна, какой бы простой она ни была, объяснила всю феноменологию фотоэлектрического эффекта и имела далеко идущие последствия для развития квантовой механики .

Фотоэмиссия атомов, молекул и твердых тел

Электроны, связанные в атомах, молекулах и твердых телах, занимают отдельные состояния с четко определенной энергией связи . Когда кванты света доставляют отдельному электрону больше этой энергии, электрон может быть выброшен в свободное пространство с избыточной (кинетической) энергией, т. е. $h\nu$ выше энергии связи электрона. Таким образом, распределение кинетических энергий отражает распределение энергий связи электронов в атомной, молекулярной или кристаллической системе: электрон, испускаемый из состояния при энергии связи $E_{B}$ находится при кинетической энергии $E_{k}=h\nu -E_{B}$. Это распределение является одной из основных характеристик квантовой системы и может быть использовано для дальнейших исследований в области квантовой химии и квантовой физики.

Модели фотоэмиссии из твердых тел

Электронные свойства упорядоченных кристаллических твердых тел определяются распределением электронных состояний по энергии и импульсу — электронной зонной структурой твердого тела. Теоретические модели фотоэмиссии твердых тел показывают, что это распределение большей частью сохраняется и при фотоэффекте. Феноменологическая трехступенчатая модель для ультрафиолетового и мягкого рентгеновского возбуждения раскладывает эффект на такие этапы:

1. Внутренний фотоэлектрический эффект в объеме материала, представляющий собой прямой оптический переход между занятым и незанятым электронным состоянием. Этот эффект подчиняется квантовомеханическим правилам отбора дипольных переходов. Дырка, оставшаяся после электрона, может вызвать вторичную эмиссию электронов или так называемый эффект Оже , который может быть виден, даже если первичный фотоэлектрон не покидает материал. В молекулярных твердых телах фононы , которые можно увидеть как сателлитные линии в конечной энергии электронов. на этом этапе возбуждаются
2. Распространение электронов к поверхности, на которой некоторые электроны могут рассеиваться из-за взаимодействия с другими компонентами твердого тела. Электроны, которые зарождаются глубже в твердом теле, с гораздо большей вероятностью подвергаются столкновениям и выходят с измененной энергией и импульсом. Их средний свободный пробег представляет собой универсальную кривую, зависящую от энергии электрона.
3. Электроны выходят через поверхностный барьер в свободные электроноподобные состояния вакуума. На этом этапе электрон теряет энергию в размере работы выхода поверхности и страдает от потери импульса в направлении, перпендикулярном поверхности. Поскольку энергию связи электронов в твердых телах удобно выражать относительно наивысшего занятого состояния при энергии Ферми $E_{F}$, а разница с энергией свободного пространства (вакуума) является работой выхода поверхности, кинетическая энергия электронов, вылетающих из твердых тел, обычно записывается как $E_{k}=h\nu -W-E_{B}$.

Бывают случаи, когда трехступенчатая модель не может объяснить особенности распределения интенсивности фотоэлектронов. Более сложная одношаговая модель трактует этот эффект как когерентный процесс фотовозбуждения в конечном состоянии конечного кристалла, для которого волновая функция вне кристалла подобна свободному электрону, но имеет затухающую оболочку внутри.

История

19 век

В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл связанный с этим фотоэлектрический эффект , изучая влияние света на электролизеры . эффекту и не эквивалентны фотоэлектрическому эффекту, Хотя его работы по фотоэлектрическому они сыграли важную роль в демонстрации тесной связи между светом и электронными свойствами материалов. В 1873 году Уиллоби Смит обнаружил фотопроводимость селена . , проверяя металл на его свойства высокого сопротивления в сочетании с его работой с подводными телеграфными кабелями

Иоганн Эльстер (1854–1920) и Ганс Гейтель (1855–1923), студенты из Гейдельберга , исследовали влияние света на наэлектризованные тела и разработали первые практические фотоэлектрические элементы, которые можно было использовать для измерения интенсивности света. Они расположили металлы по способности разряжать отрицательное электричество: рубидий , калий , сплав калия и натрия, натрий , литий , магний , таллий и цинк ; для меди , платины , свинца , железа , кадмия , углерода и ртути эффекты обычного света были слишком малы, чтобы их можно было измерить. Порядок металлов для этого эффекта был таким же, как и в ряду Вольта для контактного электричества: наиболее электроположительные металлы дают наибольший фотоэлектрический эффект.

с сусальным золотом, Электроскоп демонстрирующий фотоэлектрический эффект. Когда диск электроскопа отрицательно заряжен избыточными электронами, листья золота взаимно отталкиваются. Если затем осветить диск высокоэнергетическим светом (например, ультрафиолетовым), в результате фотоэлектрического эффекта испускаются электроны, и отталкивание листьев прекращается. Но если используемого света недостаточно энергии, чтобы стимулировать эмиссию электронов, листья остаются разделенными независимо от продолжительности.

В 1887 году Генрих Герц наблюдал фотоэлектрический эффект. и отчитался о производстве и приеме электромагнитных волн. Приёмник в его аппарате представлял собой катушку с искровым промежутком , в котором при обнаружении электромагнитных волн можно было увидеть искру. Он поместил аппарат в затемненный ящик, чтобы лучше видеть искру. Однако он заметил, что максимальная длина искры внутри коробки уменьшается. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала ультрафиолетовое излучение, которое помогало электронам перепрыгивать через зазор. При его удалении длина искры увеличится. Он не заметил уменьшения длины искры при замене стекла кварцем, поскольку кварц не поглощает УФ-излучение.

Открытия Герца привели к серии исследований Вильгельма Хальвахса . Слышать, Аугусто Риги and Aleksander Stoletov о действии света, и особенно ультрафиолета, на заряженные тела. Хальвакс подсоединил цинковую пластину к электроскопу . Он позволил ультрафиолетовому свету падать на только что очищенную цинковую пластину и заметил, что цинковая пластина становилась незаряженной, если изначально была заряжена отрицательно, заряжена положительно, если изначально не была заряжена, и более положительно заряжена, если изначально заряжена положительно. На основании этих наблюдений он пришел к выводу, что некоторые отрицательно заряженные частицы испускались цинковой пластиной под воздействием ультрафиолетового света.

Что касается эффекта Герца , исследователи с самого начала показали сложность явления фотоэлектрической усталости — постепенное уменьшение эффекта, наблюдаемого на свежих металлических поверхностях. По мнению Хальвакса, озон . важную роль в этом явлении сыграл На эмиссию влияли окисление, влажность и степень полировки поверхности. В то время было неясно, отсутствует ли усталость в вакууме.

В период с 1888 по 1891 год подробный анализ фотоэффекта был выполнен Александром Столетовым , результаты которого изложены в шести публикациях. Столетов изобрел новую экспериментальную установку, более подходящую для количественного анализа фотоэффекта. Он обнаружил прямую пропорциональность между интенсивностью света и индуцированным фототоком (первый закон фотоэффекта или закон Столетова ). Он измерил зависимость интенсивности фотоэлектрического тока от давления газа, где обнаружил существование оптимального давления газа, соответствующего максимальному фототоку ; это свойство было использовано для создания солнечных батарей .

Многие вещества, помимо металлов, под действием ультрафиолета выделяют отрицательное электричество. Г.К. Шмидт и О. Чеснок составил список этих веществ.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон исследовал ультрафиолетовый свет в трубках Крукса . Томсон пришел к выводу, что выброшенные частицы, которые он назвал корпускулами, имеют ту же природу, что и катодные лучи . Эти частицы позже стали называть электронами. Томсон заключил металлическую пластину (катод) в вакуумную трубку и подверг ее воздействию высокочастотного излучения. Считалось, что колеблющиеся электромагнитные поля заставляют поле атомов резонировать и после достижения определенной амплитуды вызывают излучение субатомных корпускул и обнаружение тока. Величина этого тока менялась в зависимости от интенсивности и цвета излучения. Большая интенсивность или частота излучения приведет к увеличению тока.

В 1886–1902 годах Вильгельм Хальвахс и Филипп Ленард подробно исследовали явление фотоэлектрической эмиссии. течет ток Ленард заметил, что через вакуумированную стеклянную трубку, в которой заключены два электрода, , когда на один из них падает ультрафиолетовое излучение. Как только прекращается ультрафиолетовое излучение, прекращается и ток. Это положило начало концепции фотоэлектрической эмиссии. Открытие ионизации газов ультрафиолетовым светом было сделано Филиппом Ленардом в 1900 году. Поскольку эффект возникал в нескольких сантиметрах воздуха и приводил к большему количеству положительных ионов, чем отрицательных, было естественно интерпретировать это явление, как сказал Дж. Дж. Томсон. это произошло как эффект Герца на частицы, присутствующие в газе.

20 век

В 1902 году Ленард заметил, что энергия отдельных испускаемых электронов не зависит от интенсивности приложенного света. Это, казалось, противоречило волновой теории света Максвелла , которая предсказывала, что энергия электронов будет пропорциональна интенсивности излучения .

Ленард наблюдал изменение энергии электронов в зависимости от частоты света, используя мощную электрическую дуговую лампу, которая позволила ему исследовать большие изменения интенсивности. Однако результаты Ленарда были качественными, а не количественными из-за сложности проведения экспериментов: эксперименты нужно было проводить на свежеразрезанном металле, чтобы можно было наблюдать чистый металл, но он окислялся за считанные минуты даже в частичном вакууме, который он использовал. использовал. Ток, излучаемый поверхностью, определялся интенсивностью или яркостью света: удвоение интенсивности света удваивало количество электронов, испускаемых поверхностью.

Первоначальное исследование фотоэлектрического эффекта в газах Ленарда. за ними последовал Джей Джей Томсон а затем, более решительно, Фредериком Палмером-младшим. Газовая фотоэмиссия была изучена и показала совершенно иные характеристики, чем те, которые сначала приписывал ей Ленард.

В 1900 году, изучая излучение черного тела , немецкий физик Макс Планк в своей работе «О законе распределения энергии в нормальном спектре» предположил: В статье говорится, что энергия, переносимая электромагнитными волнами, может выделяться только в виде пакетов энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой выдвинул гипотезу о том, что световая энергия переносится дискретными квантованными пакетами, чтобы объяснить экспериментальные данные фотоэлектрическим эффектом. Эйнштейн предположил, что энергия каждого кванта света равна частоте света, умноженной на константу, позже названную постоянной Планка . Фотон с частотой выше пороговой имеет необходимую энергию для выброса одного электрона, создавая наблюдаемый эффект. Это был шаг в развитии квантовой механики . В 1914 году Роберт А. Милликен высокоточные измерения постоянной Планка на основе фотоэлектрического эффекта подтвердили модель Эйнштейна, хотя корпускулярная теория света была для Милликена в то время «совершенно немыслимой». Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года «за открытие закона фотоэлектрического эффекта». а Милликен был удостоен Нобелевской премии в 1923 году «за работу по элементарному заряду электричества и фотоэлектрическому эффекту». В квантовой теории возмущений атомов и твердых тел, подвергающихся воздействию электромагнитного излучения, фотоэлектрический эффект до сих пор обычно анализируется с точки зрения волн; эти два подхода эквивалентны, поскольку поглощение фотонов или волн может происходить только между квантованными уровнями энергии, разность энергий которых равна энергии фотона.

Математическое описание Альбертом Эйнштейном того, как фотоэлектрический эффект вызывается поглощением квантов света, было в одной из его статей Annus Mirabilis под названием «Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света». В статье было предложено простое описание квантов энергии и показано, как они объясняют спектр излучения абсолютно черного тела. Его объяснение с точки зрения поглощения дискретных квантов света согласовывалось с экспериментальными результатами. Это объяснило, почему энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света . Это был теоретический скачок, но поначалу эта концепция встретила сильное сопротивление, поскольку она противоречила волновой теории света, которая естественным образом вытекала из уравнений электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла и, в более общем плане, предположения о бесконечной делимости энергии в физических системах.

Работа Эйнштейна предсказала, что энергия отдельных выброшенных электронов увеличивается линейно с частотой света. Точная взаимосвязь в то время еще не была проверена. К 1905 году было известно, что энергия фотоэлектронов увеличивается с увеличением частоты падающего света и не зависит от интенсивности света. Однако характер увеличения не был экспериментально определен до 1914 года, когда Милликен показал, что предсказание Эйнштейна было верным.

Фотоэлектрический эффект помог продвинуть зародившуюся тогда концепцию корпускулярно-волнового дуализма в природе света. Свет одновременно обладает характеристиками и волн, и частиц, каждое из которых проявляется в зависимости от обстоятельств. Эффект невозможно было понять с точки зрения классического волнового описания света. поскольку энергия вылетающих электронов не зависела от интенсивности падающего излучения. Классическая теория предсказывала, что электроны будут «набирать» энергию в течение определенного периода времени, а затем испускаться.

Использование и эффекты

Фотоумножители

Основная статья: Фотоумножитель

Фотоумножитель

Это чрезвычайно светочувствительные электронные лампы с покрытым фотокатодом внутри оболочки. Фотокатод содержит комбинации таких материалов, как цезий, рубидий и сурьма, специально выбранные для обеспечения низкой работы выхода, поэтому при освещении даже очень низким уровнем света фотокатод легко высвобождает электроны. С помощью серии электродов (динодов) при все более высоких потенциалах эти электроны ускоряются и существенно увеличиваются в количестве за счет вторичной эмиссии , обеспечивая легко обнаруживаемый выходной ток. Фотоумножители по-прежнему широко используются там, где необходимо обнаружить низкие уровни света.

Датчики изображения

В видеокамерах на заре телевидения использовался фотоэлектрический эффект. Например, » Фило Фарнсворта « Диссектор изображения использовал экран, заряжаемый фотоэлектрическим эффектом, для преобразования оптического изображения в сканированный электронный сигнал.

Фотоэлектронная спектроскопия

Основные статьи: Фотоэмиссионная спектроскопия , Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением и Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

Эксперимент фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением ( ARPES ). Гелиевая газоразрядная лампа освещает образец ультрафиолетовым светом в сверхвысоком вакууме. Полусферический электронный анализатор измеряет распределение выброшенных электронов по энергии и импульсу.

Поскольку кинетическая энергия испускаемых электронов равна энергии падающего фотона минус энергия связи электрона внутри атома, молекулы или твердого тела, энергию связи можно определить, освещая монохроматическим рентгеновским или УФ- светом известного вещества. энергии и измерения кинетической энергии фотоэлектронов. Распределение энергий электронов имеет важное значение для изучения квантовых свойств этих систем. Его также можно использовать для определения элементного состава образцов. Для твердых тел кинетическая энергия и угловое распределение фотоэлектронов измеряются для полного определения структуры электронной зоны с точки зрения разрешенных энергий связи и импульсов электронов. Современные инструменты фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением способны измерять эти величины с точностью лучше 1 мэВ и 0,1°.

Измерения фотоэлектронной спектроскопии обычно проводятся в среде высокого вакуума, поскольку электроны были бы рассеяны молекулами газа, если бы они присутствовали. Однако некоторые компании сейчас продают продукты, позволяющие фотоэмиссию в воздух. Источником света может быть лазер, газоразрядная трубка или источник синхротронного излучения .

Концентрический полусферический анализатор является типичным анализатором энергии электронов. Он использует электрическое поле между двумя полушариями для изменения (рассеивания) траекторий падающих электронов в зависимости от их кинетической энергии.

Приборы ночного видения

Фотоны, попадающие на тонкую пленку щелочного металла или полупроводникового материала, такого как арсенид галлия, в электронно-оптическом преобразователе , вызывают выброс фотоэлектронов из-за фотоэлектрического эффекта. Они ускоряются электростатическим полем и ударяются об экран с люминофорным покрытием, превращая электроны обратно в фотоны. Усиление сигнала достигается либо за счет ускорения электронов, либо за счет увеличения количества электронов за счет вторичной эмиссии, например, с помощью микроканальной пластины . Иногда используется комбинация обоих методов. Для перемещения электрона из зоны проводимости на уровень вакуума требуется дополнительная кинетическая энергия. Это известно как сродство фотокатода к электрону и является еще одним барьером для фотоэмиссии, отличным от запрещенной зоны, что объясняется моделью запрещенной зоны . Некоторые материалы, такие как арсенид галлия, имеют эффективное сродство к электрону ниже уровня зоны проводимости. В этих материалах все электроны, движущиеся в зону проводимости, обладают достаточной энергией, чтобы испустить их из материала, поэтому пленка, поглощающая фотоны, может быть довольно толстой. Эти материалы известны как материалы с отрицательным сродством к электрону.

Космический корабль

Фотоэлектрический эффект приведет к тому, что космический корабль, подвергшийся воздействию солнечного света, приобретет положительный заряд. Это может быть серьезной проблемой, поскольку другие части космического корабля находятся в тени, что приведет к тому, что космический корабль будет накапливать отрицательный заряд от близлежащей плазмы. Дисбаланс может привести к разрядке через хрупкие электрические компоненты. Статический заряд, создаваемый фотоэлектрическим эффектом, является самоограничивающимся, поскольку объект с более высоким зарядом не отдает свои электроны так легко, как объект с более низким зарядом.

Лунная пыль

Свет Солнца, падающий на лунную пыль, заставляет ее заряжаться положительно за счет фотоэлектрического эффекта. Заряженная пыль затем отталкивается и поднимается с поверхности Луны за счет электростатической левитации . Это проявляется почти как «атмосфера пыли», видимая как тонкая дымка и размытие отдаленных черт, а также видимая как тусклое свечение после захода солнца. Впервые это было сфотографировано зондами программы Surveyor в 1960-х годах. а совсем недавно марсоход «Чанъэ-3» наблюдал отложения пыли на лунных камнях высотой около 28 см. Считается, что мельчайшие частицы отталкиваются на километры от поверхности и движутся «фонтанами» при зарядке и разрядке.

Конкурирующие процессы и сечение фотоэмиссии

График энергий фотонов, рассчитанных для данного элемента (атомный номер Z), при котором значение сечения процесса справа становится больше сечения процесса слева. Для кальция (Z=20) комптоновское рассеяние начинает доминировать при hυ =0,08 МэВ и прекращается при 12 МэВ.

Когда энергия фотонов достигает энергии покоя электрона 511 кэВ , может произойти еще один процесс — комптоновское рассеяние . При энергии, превышающей вдвое большую, при 1,022 МэВ , образование пар также более вероятно. Комптоновское рассеяние и рождение пар являются примерами двух других конкурирующих механизмов. Даже если фотоэлектрический эффект является предпочтительной реакцией для конкретного взаимодействия одиночного фотона со связанным электроном, результат также зависит от квантовой статистики и не гарантирован. Вероятность возникновения фотоэффекта измеряется сечением взаимодействия σ. Было обнаружено, что это функция атомного номера целевого атома и энергии фотона. В грубом приближении для энергий фотонов выше максимальной энергии связи атомов сечение определяется выражением:

$\sigma =\mathrm {constant} \cdot {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}$

Здесь Z — атомный номер , а n — число, которое варьируется от 4 до 5. Значение фотоэлектрического эффекта в гамма-диапазоне спектра быстро снижается с увеличением энергии фотонов. Это также более вероятно из элементов с высоким атомным номером. Следовательно, с высоким Z материалы обеспечивают хорошую защиту от гамма-излучения , что является основной причиной того, почему свинец ( Z = 82) является предпочтительным и наиболее широко используемым.

См. также

• Аномальный фотоэлектрический эффект
• Комптоновское рассеяние
• Эффект Дембера
• Фото – Эффект Дембера
• Корпускулярно-волновой дуализм
• Фотомагнитный эффект
• Фотохимия
• Хронология атомной и субатомной физики

Внешние ссылки

• Астрономический состав « http://www.astronomycast.com/2014/02/ep-335-photoelectric-effect/ ». АстрономияКаст.
• Нейв Р. « Дуальность волны и частицы ». Гиперфизика.
• « Фотоэлектрический эффект ». Физика 2000. Университет Колорадо, Боулдер, Колорадо. (страница не найдена)
• Группа ACEPT W3, « Фотоэлектрический эффект ». Кафедра физики и астрономии, Университет штата Аризона, Темпе, Аризона.
• Хаберкерн, Томас и Н. Дипак « Зерна мистики: квантовая физика для непрофессионалов ». Эйнштейн демистифицирует фотоэлектрический эффект , Глава 3.
• Кафедра физики, « Фотоэлектрический эффект. Архивировано 1 августа 2009 г. в Wayback Machine ». Лаборатория физики 320, Дэвидсон-колледж, Дэвидсон.
• Фаулер, Майкл, « Фотоэлектрический эффект ». Физика 252, Университет Вирджинии.
• Перейдите к разделу « Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света », чтобы прочитать английский перевод статьи Эйнштейна 1905 года. (Проверено: 11 апреля 2014 г.)
• http://www.chemistryexplained.com/Ru-Sp/Solar-Cells.html
• Фотоэлектрические преобразователи: http://sensorse.com/page4en.html.

Апплеты

• « Симулятор HTML 5 JavaScript » Проект физики с открытым исходным кодом
• « Фотоэлектрический эффект ». Проект «Технологии физического образования» (PhET). (Ява)
• Фендт, Вальтер, « Фотоэлектрический эффект ». (Ява)
• « Апплет: Фотоэффект. Архивировано 14 марта 2010 г. в Wayback Machine ». Распределенная система управления и оценки учебного контента с открытым исходным кодом. ( Ява )