קרינת פוטואלקטרון - משמעות פיזיקלית, חוקים ויישומים
תופעת פליטת הפוטואלקטרון (או אפקט פוטואלקטרי חיצוני) התגלתה בניסוי בשנת 1887 על ידי היינריך הרץ במהלך ניסוי חלל פתוח. כאשר הרץ כיוון קרינה אולטרה סגולה אל ניצוצות אבץ, במקביל מעבר ניצוץ חשמלי דרכם היה קל יותר באופן ניכר.
לכן, קרינת פוטואלקטרון יכולה להיקרא תהליך פליטת אלקטרונים בוואקום (או בתווך אחר) מגופים מוצקים או נוזליים בהשפעת קרינה אלקטרומגנטית הנופלת עליהם. המשמעותית ביותר בפועל היא פליטת הפוטואלקטרון מגופים מוצקים - בוואקום.
1. קרינה אלקטרומגנטית בעלת הרכב ספקטרלי קבוע הנופלת על הפוטוקתודה גורמת לזרם פוטו רווי I, שערכו פרופורציונלי לקרינת הקתודה, כלומר מספר הפוטואלקטרונים שנפלטו (נפלטים) בשנייה 1 הוא פרופורציונלי לקרינת הקתודה. עוצמת הקרינה המתרחשת F.
2.עבור כל חומר, בהתאם לאופיו הכימי ולמצב מסוים של פני השטח שלו, הקובעים את פונקציית העבודה Ф של אלקטרונים מחומר נתון, יש גבול ארוך גל (אדום) של קרינת פוטואלקטרון, כלומר. , התדר המינימלי v0 שמתחתיו האפקט הפוטואלקטרי בלתי אפשרי.
3. המהירות ההתחלתית המקסימלית של הפוטואלקטרונים נקבעת לפי תדירות הקרינה הפוגעת ואינה תלויה בעוצמתה. במילים אחרות, האנרגיה הקינטית המקסימלית של פוטו-אלקטרונים עולה באופן ליניארי עם הגדלת התדירות של קרינה תקרית ואינה תלויה בעוצמת הקרינה הזו.
חוקי האפקט הפוטואלקטרי החיצוני יתקיימו באופן עקרוני רק בטמפרטורת האפס המוחלטת, בעוד שלמעשה, ב-T > 0 K, פליטת פוטואלקטרון נצפית גם באורכי גל ארוכים מאורך הגל הניתוק, אם כי עם מספר קטן של פולט אלקטרונים. בעוצמה גבוהה במיוחד של קרינה תקרית (יותר מ- 1 W / cm 2 ), גם חוקים אלה מופרים, שכן חומרת תהליכים מולטיפוטונים הופכת ברורה ומשמעותית.
מבחינה פיזית, תופעת פליטת הפוטואלקטרון היא שלושה תהליכים רצופים.
ראשית, הפוטון הנכנס נספג בחומר, וכתוצאה מכך מופיע בתוך החומר אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה מהממוצע על פני הנפח. האלקטרון הזה נע אל פני השטח של הגוף ובדרך מתפזר חלק מהאנרגיה שלו, כי בדרך אלקטרון כזה מקיים אינטראקציה עם אלקטרונים אחרים ורעידות של סריג הגביש. לבסוף, האלקטרון נכנס לוואקום או לתווך אחר מחוץ לגוף, עובר דרך מחסום פוטנציאלי בגבול בין שני המדומים הללו.
כפי שאופייני למתכות, בחלקים הנראים והאולטרה סגולים של הספקטרום, פוטונים נספגים על ידי אלקטרוני ההולכה. עבור מוליכים למחצה ודיאלקטריים, אלקטרונים נרגשים מפס הערכיות. בכל מקרה, מאפיין כמותי של פליטת פוטו-אלקטרונים הוא התשואה הקוונטית - Y - מספר האלקטרונים הנפלטים לכל פוטון מתרחש.
התשואה הקוונטית תלויה בתכונות החומר, במצב פני השטח שלו, כמו גם באנרגיה של הפוטונים הנכנסים.
במתכות, מגבלת אורך הגל הארוך של פליטת הפוטואלקטרון נקבעת ע"י פונקציית העבודה של האלקטרון מפני השטח שלהן. לרוב מתכות השטח הנקיות יש פונקציית עבודה מעל 3 eV, בעוד למתכות אלקליות יש פונקציית עבודה של 2 עד 3 eV.
מסיבה זו, ניתן להבחין בפליטת פוטואלקטרון מפני השטח של מתכות אלקליות ואדמה אלקליין גם כשהן מוקרנות בפוטונים באזור הנראה של הספקטרום, ולא רק ב-UV. בעוד שבמתכות רגילות, פליטת פוטואלקטרון אפשרית רק החל מתדרי UV.
זה משמש להפחתת תפקוד העבודה של המתכת: סרט (שכבה מונואטומית) של מתכות אלקליות ואדמה אלקליין מופקד על מתכת רגילה וכך הגבול האדום של פליטת הפוטואלקטרון מוסט לאזור של גלים ארוכים יותר.
התשואה הקוונטית Y האופיינית למתכות באזורים הקרובים ל-UV והנראות היא בסדר גודל של פחות מ-0.001 אלקטרון/פוטון מכיוון שעומק זליגת הפוטואלקטרון קטן בהשוואה לעומק בליעת האור של המתכת.חלק הארי של הפוטואלקטרונים מפזר את האנרגיה שלהם עוד לפני שהם מתקרבים לגבול היציאה של המתכת, ומאבד כל סיכוי ליציאה.
אם אנרגיית הפוטון קרובה לסף פליטת הפוטו, אז רוב האלקטרונים יתרגשו באנרגיות מתחת לרמת הוואקום והם לא יתרמו לזרם הפוטו-פליטה. בנוסף, מקדם ההשתקפות באזורי ה-UV הקרובים והנראה גבוה מדי עבור מתכות, כך שרק חלק קטן מאוד מהקרינה ייספג במתכת בכלל. באזור ה-UV הרחוק גבולות אלו יורדים ו-Y מגיע ל-0.01 אלקטרון/פוטון באנרגיות פוטון מעל 10 eV.
האיור מראה את התלות הספקטרלית של התשואה הקוונטית של פליטת פוטו עבור משטח נחושת טהור:
זיהום משטח המתכת מפחית את זרם הצילום ומעביר את הגבול האדום לאזור אורך הגל הארוך יותר; יחד עם זאת, עבור אזור ה-UV הרחוק בתנאים אלה, Y עשוי לגדול.
קרינת פוטואלקטרון מוצאת יישום במכשירים פוטואלקטרוניים הממירים אותות אלקטרומגנטיים בטווחים שונים לזרמים ומתחים חשמליים. לדוגמה, תמונה באותות אינפרא אדום בלתי נראים ניתנת להמרה לתמונה גלויה באמצעות מכשיר שפועל על בסיס תופעת פליטת הפוטואלקטרון. גם קרינת פוטואלקטרון עובדת בתאי צילום, בממירים אלקטרוניים-אופטיים שונים, בפוטו-מכפילים, בפוטו-נגדים, בפוטודיודות, בצינורות אלומת אלקטרונים וכו'.
ראה גם:כיצד עובד תהליך המרת אנרגיה סולארית לאנרגיה חשמלית