Sinaran fotoelektron — makna fizikal, undang-undang dan aplikasi
Fenomena pelepasan fotoelektron (atau kesan fotoelektrik luaran) ditemui secara eksperimen pada tahun 1887 oleh Heinrich Hertz semasa eksperimen rongga terbuka. Apabila Hertz mengarahkan sinaran ultraungu ke percikan zink, pada masa yang sama laluan percikan elektrik melaluinya adalah lebih mudah.
Oleh itu, Sinaran fotoelektron boleh dipanggil proses pelepasan elektron dalam vakum (atau dalam medium lain) dari badan pepejal atau cecair di bawah pengaruh sinaran elektromagnet yang jatuh ke atasnya. Yang paling ketara dalam amalan ialah pelepasan fotoelektron daripada jasad pepejal — dalam vakum.
1. Sinaran elektromagnet dengan komposisi spektrum malar yang jatuh pada fotokatod menyebabkan arus foto tepu I, yang nilainya berkadar dengan penyinaran katod, iaitu bilangan fotoelektron yang tersingkir (dipancarkan) dalam 1 saat adalah berkadar dengan keamatan sinaran kejadian F.
2.Bagi setiap bahan, mengikut sifat kimianya dan dengan keadaan permukaan tertentu, yang menentukan fungsi kerja Ф elektron daripada bahan tertentu, terdapat had gelombang panjang (merah) sinaran fotoelektron, i.e. , kekerapan minimum v0 di bawah yang kesan fotoelektrik adalah mustahil.
3. Kelajuan awal maksimum fotoelektron ditentukan oleh kekerapan sinaran kejadian dan tidak bergantung kepada keamatannya. Dalam erti kata lain, tenaga kinetik maksimum fotoelektron meningkat secara linear dengan peningkatan kekerapan sinaran kejadian dan tidak bergantung kepada keamatan sinaran ini.
Undang-undang kesan fotoelektrik luaran pada dasarnya akan dipenuhi dengan ketat hanya pada suhu sifar mutlak, manakala pada hakikatnya, pada T > 0 K, pelepasan fotoelektron juga diperhatikan pada panjang gelombang yang lebih panjang daripada panjang gelombang terputus, walaupun dengan sebilangan kecil memancarkan elektron. Pada intensiti sinaran kejadian yang sangat tinggi (lebih daripada 1 W / cm 2 ), undang-undang ini juga dilanggar, kerana keterukan proses multifoton menjadi jelas dan ketara.
Secara fizikal, fenomena pelepasan fotoelektron adalah tiga proses berturut-turut.
Pertama, foton kejadian diserap oleh bahan, akibatnya elektron dengan tenaga lebih tinggi daripada purata ke atas isipadu muncul di dalam bahan. Elektron ini bergerak ke permukaan badan dan sepanjang jalan sebahagian daripada tenaganya dilesapkan, kerana dalam perjalanan elektron tersebut berinteraksi dengan elektron lain dan getaran kekisi kristal. Akhirnya, elektron memasuki vakum atau medium lain di luar badan, melalui halangan berpotensi di sempadan antara kedua-dua medium ini.
Seperti biasa untuk logam, dalam bahagian spektrum yang kelihatan dan ultraungu, foton diserap oleh elektron pengaliran. Untuk semikonduktor dan dielektrik, elektron teruja daripada jalur valens. Walau apa pun, ciri kuantitatif pelepasan fotoelektron ialah hasil kuantum - Y - bilangan elektron yang dipancarkan setiap foton kejadian.
Hasil kuantum bergantung pada sifat bahan, pada keadaan permukaannya, serta pada tenaga foton kejadian.
Dalam logam, had panjang gelombang panjang pelepasan fotoelektron ditentukan oleh fungsi kerja elektron dari permukaannya. Kebanyakan logam permukaan bersih mempunyai fungsi kerja melebihi 3 eV, manakala logam alkali mempunyai fungsi kerja 2 hingga 3 eV.
Atas sebab ini, pelepasan fotoelektron dari permukaan logam alkali dan alkali tanah boleh diperhatikan walaupun disinari dengan foton di kawasan spektrum yang boleh dilihat, bukan hanya UV. Manakala dalam logam biasa, pelepasan fotoelektron hanya mungkin bermula dari frekuensi UV.
Ini digunakan untuk mengurangkan fungsi kerja logam: filem (lapisan monoatomik) logam alkali dan alkali tanah dimendapkan pada logam biasa dan dengan itu had merah pelepasan fotoelektron dialihkan ke kawasan gelombang yang lebih panjang.
Ciri-ciri hasil kuantum Y bagi logam dalam kawasan berhampiran-UV dan kelihatan adalah tertib kurang daripada 0.001 elektron/foton kerana kedalaman kebocoran fotoelektron adalah kecil berbanding dengan kedalaman penyerapan cahaya logam.Bahagian terbesar fotoelektron menghilangkan tenaga mereka sebelum menghampiri sempadan keluar logam, kehilangan sebarang peluang untuk keluar.
Jika tenaga foton hampir dengan ambang pelepasan foto, maka kebanyakan elektron akan teruja pada tenaga di bawah paras vakum dan ia tidak akan menyumbang kepada arus pelepasan foto. Di samping itu, pekali pantulan di kawasan UV berhampiran dan kelihatan terlalu tinggi untuk logam, jadi hanya sebahagian kecil daripada sinaran yang akan diserap oleh logam sama sekali. Di kawasan jauh UV had ini berkurangan dan Y mencapai 0.01 elektron/foton pada tenaga foton melebihi 10 eV.
Rajah menunjukkan pergantungan spektrum hasil kuantum pancaran foto untuk permukaan tembaga tulen:
Pencemaran permukaan logam mengurangkan arus foto dan mengalihkan had merah ke kawasan panjang gelombang yang lebih panjang; pada masa yang sama, untuk kawasan UV yang jauh di bawah keadaan ini, Y mungkin meningkat.
Sinaran fotoelektron menemui aplikasi dalam peranti fotoelektronik yang menukar isyarat elektromagnet pelbagai julat kepada arus dan voltan elektrik. Sebagai contoh, imej dalam isyarat inframerah tidak kelihatan boleh ditukar menjadi kelihatan menggunakan peranti yang berfungsi berdasarkan fenomena pelepasan fotoelektron. Sinaran fotoelektron juga berfungsi dalam fotosel, dalam pelbagai penukar elektronik-optik, dalam fotomultiplier, fotoresistor, fotodiod, dalam tiub rasuk elektron, dsb.
Lihat juga:Bagaimana proses menukar tenaga suria kepada tenaga elektrik berfungsi