Фотоэлектрический эффект - Photoelectric effect

Эмиссия электронов из металлической пластины вызвана квантами света - фотонами.

Фотоэлектрический эффект является эмиссия электронов , когда электромагнитное излучение , такие , как свет , попадает на материал. 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. Эффект нашел применение в электронных устройствах, специализирующихся на обнаружении света и точно синхронизированной эмиссии электронов.

Результаты экспериментов не согласуются с классическим электромагнетизмом , который предсказывает, что непрерывные световые волны передают энергию электронам, которые затем излучаются, когда они накапливают достаточно энергии. Изменение интенсивности света теоретически изменит кинетическую энергию испускаемых электронов, при этом достаточно тусклый свет приведет к задержанному излучению. 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 может накапливать энергию, необходимую для производства фотоэлектронов, как это было бы, если бы энергия света исходила от непрерывной волны, Альберт Эйнштейн предположил, что луч света не является волной, распространяющейся в пространстве. , но рой дискретных пакетов энергии, известных как фотоны .

Для излучения электронов проводимости из типичных металлов требуется несколько электрон-вольт (эВ) световых квантов, соответствующих коротковолновому видимому или ультрафиолетовому свету. В крайних случаях излучение индуцируется фотонами, энергия которых приближается к нулю, как в системах с отрицательным сродством к электрону и излучением из возбужденных состояний, или фотонами в несколько сотен кэВ для остовных электронов в элементах с высоким атомным номером . Изучение фотоэлектрического эффекта привело к важным шагам в понимании квантовой природы света и электронов и повлияло на формирование концепции дуальности волна-частица . Другие явления, при которых свет влияет на движение электрических зарядов, включают эффект фотопроводимости , фотоэлектрический эффект и фотоэлектрохимический эффект .

Механизм выброса

Фотоны светового луча обладают характеристической энергией, называемой энергией фотона , которая пропорциональна частоте света. В процессе фотоэмиссии, когда электрон в некотором материале поглощает энергию фотона и приобретает больше энергии, чем его энергия связи , он, вероятно, будет выброшен. Если энергия фотона слишком мала, электрон не может покинуть материал. Поскольку увеличение интенсивности низкочастотного света приведет только к увеличению количества фотонов с низкой энергией, это изменение интенсивности не создаст ни одного фотона с достаточной энергией, чтобы сместить электрон. Более того, энергия испускаемых электронов не будет зависеть от интенсивности падающего света данной частоты, а только от энергии отдельных фотонов.

Хотя свободные электроны могут поглощать любую энергию при облучении, если за этим следует немедленное переизлучение, как в эффекте Комптона , в квантовых системах вся энергия одного фотона поглощается - если этот процесс разрешен квантовой механикой - или вообще нет. Часть полученной энергии используется для освобождения электрона от атомной связи, а остальная часть вносит вклад в кинетическую энергию электрона как свободной частицы. Поскольку электроны в материале занимают множество различных квантовых состояний с разными энергиями связи, и поскольку они могут нести потери энергии на своем выходе из материала, испускаемые электроны будут иметь диапазон кинетических энергий. Электроны из самых высоких занятых состояний будут иметь самую высокую кинетическую энергию. В металлах эти электроны будут испускаться с уровня Ферми .

Когда фотоэлектрон испускается в твердое тело, а не в вакуум, часто используется термин внутренняя фотоэмиссия , а эмиссия в вакуум определяется как внешняя фотоэмиссия .

Экспериментальное наблюдение фотоэлектрической эмиссии.

Несмотря на то, что фотоэмиссия может происходить из любого материала, ее легче всего наблюдать из металлов и других проводников. Это связано с тем, что процесс вызывает дисбаланс заряда, который, если он не нейтрализуется током, приводит к увеличению потенциального барьера до тех пор, пока излучение полностью не прекратится. Энергетический барьер для 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 вакуумированных трубках. Вакуум также помогает наблюдать за электронами, поскольку он не позволяет газам препятствовать прохождению их потока между электродами.

Поскольку солнечный свет из-за поглощения атмосферой не дает много ультрафиолетового света, свет, богатый ультрафиолетовыми лучами, обычно получали при сжигании магния или от дуговых ламп . В настоящее время преобладают ртутные лампы , газоразрядные УФ-лампы и источники высокочастотной плазмы , ультрафиолетовые лазеры и источники света вставных синхротронных устройств .

Схема эксперимента по демонстрации фотоэлектрического эффекта. Отфильтрованный монохроматический свет определенной длины волны попадает на излучающий электрод (E) внутри вакуумной трубки. Коллекторный электрод (C) смещен до напряжения V _C, которое можно установить для притяжения испускаемых электронов, когда он положительный, или предотвращения любого из них от достижения коллектора, когда он отрицательный.

Классическая установка для наблюдения за фотоэлектрическим эффектом включает в себя источник света, набор фильтров для монохроматизации света, вакуумную трубку, прозрачную для ультрафиолетового света, излучающий электрод (E), освещенный светом, и коллектор (C), напряжение которого V _C можно контролировать извне.

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

Возрастающее отрицательное напряжение предотвращает попадание в коллектор всех электронов, кроме самых высокоэнергетических. Когда через трубку не наблюдается тока, отрицательное напряжение достигло значения, достаточно высокого, чтобы замедлить и остановить наиболее энергичные фотоэлектроны с кинетической энергией K _max . Это значение замедляющего напряжения называется останавливающим потенциалом или отсечным потенциалом V _o . Поскольку работа, выполняемая тормозящим потенциалом при остановке электрона с зарядом e, равна eV _o , следующее должно иметь eV _o = K _max.

Вольт-амперная кривая является сигмоидальной, 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. Количество испускаемых электронов также может измениться, потому что вероятность того, что каждый фотон приведет к испускаемому электрону, является функцией энергии фотона.

Увеличение интенсивности одного и того же монохроматического света (при условии, что интенсивность не слишком высока), которая пропорциональна количеству фотонов, падающих на поверхность в данный момент времени, увеличивает скорость, с которой выбрасываются электроны - фотоэлектрический ток I, но кинетическая энергия фотоэлектронов и тормозное напряжение остаются прежними. Для данного металла и частоты падающего излучения скорость выброса фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

Промежуток времени между падением излучения и испусканием фотоэлектрона очень мал, менее 10 ^-9 секунд. Угловое распределение фотоэлектронов в значительной степени зависит от поляризации (направления электрического поля) падающего света, а также от квантовых свойств излучающего материала, таких как симметрии атомных и молекулярных орбиталей и зонная электронная структура кристаллических твердых тел. В материалах без макроскопического порядка распределение электронов имеет тенденцию к максимуму в направлении поляризации линейно поляризованного света. Экспериментальным методом, позволяющим измерить эти распределения для определения свойств материала, является фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением .

Теоретическое объяснение

Диаграмма максимальной кинетической энергии как функции частоты света на цинке.

В 1905 году Эйнштейн предложил теорию фотоэлектрического эффекта, используя концепцию, впервые выдвинутую Максом Планком, согласно которой свет состоит из крошечных пакетов энергии, известных как фотоны или световые кванты. Каждый пакет несет энергию , пропорциональную частоте соответствующей электромагнитной волны. Константа пропорциональности получила название постоянной Планка . Максимальная кинетическая энергия электронов, которым было доставлено столько энергии до того, как они были удалены из их атомной связи, составляет ${\ Displaystyle ч \ ню}$ ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle h}$ ${\ displaystyle K _ {\ max}}$

{\ Displaystyle К _ {\ макс} = ч \, \ ню-W,}

где - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности материала. Она называется работой выхода поверхности и иногда обозначается или . Если рабочая функция записана как

{\ displaystyle W}

{\ displaystyle \ Phi}

{\ displaystyle \ varphi}

{\ displaystyle W = h \, \ nu _ {o},}

формула для максимальной кинетической энергии выброшенных электронов принимает вид

{\ displaystyle K _ {\ max} = h \ left (\ nu - \ nu _ {o} \ right).}

Кинетическая энергия положительна и необходима для возникновения фотоэлектрического эффекта. Частота - это пороговая частота для данного материала. Выше этой частоты максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, а также останавливающее напряжение в эксперименте линейно возрастают с частотой и не зависят от количества фотонов и интенсивности падающего монохроматического света. Формула Эйнштейна, какой бы простой она ни была, объясняла всю феноменологию фотоэлектрического эффекта и имела далеко идущие последствия для

развития квантовой механики .

{\ displaystyle \ nu> \ nu _ {o}}

{\ displaystyle \ nu _ {o}}

{\ textstyle V_ {o} = {\ frac {h} {e}} \ left (\ nu - \ nu _ {o} \ right)}

Фотоэмиссия атомов, молекул и твердых тел

Электроны, связанные в атомах, молекулах и твердых телах, находятся в разных состояниях с четко определенной энергией связи . Когда кванты света передают отдельному электрону больше, чем это количество энергии, электрон может быть выпущен в свободное пространство с избыточной (кинетической) энергией, которая превышает энергию связи электрона. Таким образом, распределение кинетических энергий отражает распределение энергий связи электронов в атомной, молекулярной или кристаллической системе: электрон, испускаемый из состояния с энергией связи, находится при кинетической энергии . Это распределение является одной из основных характеристик квантовой системы и может быть использовано для дальнейших исследований в квантовой химии и квантовой физике. ${\ Displaystyle ч \ ню}$ ${\ displaystyle E_ {B}}$ ${\ displaystyle E_ {k} = h \ nu -E_ {B}}$

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 из твердых тел показывают, что это распределение по большей части сохраняется при фотоэффекте. Феноменологическая трехступенчатая модель возбуждения ультрафиолетом и мягким рентгеновским излучением разбивает эффект на следующие этапы:

Внутренний фотоэлектрический эффект в объеме материала, который представляет собой прямой оптический переход между занятым и незанятым электронным состоянием. Этот эффект подчиняется квантово-механическим правилам отбора для дипольных переходов. Дырка, оставшаяся за электроном, может вызвать вторичную электронную эмиссию или так называемый эффект Оже , который может быть виден даже тогда, когда первичный фотоэлектрон не покидает материал. В молекулярных твердых телах на этой стадии возбуждаются фононы, которые могут быть видны как линии-сателлиты в конечной энергии электронов.
Распространение электронов к поверхности, на которой некоторые электроны могут рассеиваться из-за взаимодействия с другими составляющими твердого тела. Электроны, которые зарождаются глубже в твердом теле, гораздо чаще страдают от столкновений и выходят с измененной энергией и импульсом. Их длина свободного пробега представляет собой универсальную кривую, зависящую от энергии электрона.
Электрон выходит через поверхностный барьер в состояния вакуума, подобные свободным электронам. 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 , а разница в энергии свободного пространства (вакуума) является работой выхода поверхности, кинетическая энергия испускаемых электронов из твердых тел обычно записывается как . ${\ displaystyle E_ {F}}$ ${\ displaystyle E_ {k} = h \ nu -W-E_ {B}}$

Бывают случаи, когда трехступенчатая модель не может объяснить особенности распределения интенсивности фотоэлектронов. Более сложная одношаговая модель рассматривает эффект как когерентный процесс фотовозбуждения в конечном состоянии кристалла конечного размера, для которого волновая функция подобна свободным электронам вне кристалла, но имеет затухающую огибающую внутри.

История

19 век

В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект , изучая влияние света на электролитические ячейки . Хотя это и не эквивалент фотоэлектрического эффекта, его работа по фотоэлектрической энергии сыграла важную роль в демонстрации тесной взаимосвязи между светом и электронными свойствами материалов. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводимость в селене , проверяя этот металл на его свойства высокого сопротивления в связи с его работой с подводными телеграфными кабелями.

Иоганн Эльстер (1854–1920) и Ханс Гейтель (1855–1923), студенты из Гейдельберга , исследовали эффекты, производимые светом на наэлектризованные тела, и разработали первые практические фотоэлектрические элементы, которые можно было использовать для измерения интенсивности света. Они расположили металлы в зависимости от их 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 в серии Вольта для контактного электричества, наиболее электроположительных металлов, дающих наибольший фотоэлектрический эффект.

Электроскоп сусального золота для демонстрации фотоэлектрического эффекта. Когда электроскоп заряжен отрицательно, происходит избыток электронов, и листы разделяются. Если коротковолновый высокочастотный свет (например, ультрафиолетовый свет, полученный от дуговой лампы или при сжигании магния, или при использовании индукционной катушки между цинковыми или кадмиевыми выводами для создания искры) попадает на колпачок, электроскоп разряжается, и листья опадают вяло. Однако, если частота световых волн ниже порогового значения для колпачка, листья не будут разряжаться, независимо от того, как долго светит на колпачок.

В 1887 году Генрих Герц наблюдал фотоэлектрический эффект и сообщил о возникновении и приеме электромагнитных волн. Приемник в его аппарате состоял из катушки с искровым разрядником , искра которого была видна при обнаружении электромагнитных волн. Он поместил прибор в затемненный ящик, чтобы лучше видеть искру. Однако он заметил, что максимальная длина искры внутри коробки уменьшилась. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала ультрафиолетовое излучение, которое помогало электронам прыгать через зазор. При удалении длина искры увеличится. Он не заметил уменьшения длины искры, когда заменил стекло кварцем, поскольку кварц не поглощает УФ-излучение.

Открытия Герца привели к серии исследований Халлвакса , Хура, Риги и Столетова по воздействию света, и особенно ультрафиолетового света, на заряженные тела. Холлвах подключил цинковую пластину к электроскопу . Он позволил ультрафиолетовому свету падать на свежеочищенную цинковую пластину и заметил, что цинковая пластина становится незаряженной, если изначально отрицательно заряжена, положительно заряженной, если изначально не заряжена, и более положительно заряженной, если изначально положительно заряжена. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что некоторые отрицательно заряженные частицы испускаются цинковой пластиной при воздействии ультрафиолетового света.

Что касается эффекта Герца , исследователи с самого начала показали сложность явления фотоэлектрической усталости - постепенное уменьшение эффекта, наблюдаемого на свежих металлических поверхностях. По словам Халлвакса, озон сыграл важную роль в этом явлении, и на выбросы влияли окисление, влажность и степень полировки поверхности. Тогда было неясно, отсутствует ли усталость в вакууме.

В период с 1888 по 1891 год Александр Столетов провел подробный анализ фотоэффекта, результаты которого опубликованы в шести публикациях. Столетов изобрел новую экспериментальную установку, более подходящую для количественного анализа фотоэффекта. Он обнаружил прямую пропорциональность между интенсивностью света и наведенным фотоэлектрическим током (первый закон фотоэффекта или закон Столетова ). Он измерил зависимость интенсивности фотоэлектрического тока от давления газа и 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. GC Schmidt и O. Knoblauch составили список этих веществ.

В 1899 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 . Позднее эти частицы стали называть электронами. Томсон заключил металлическую пластину (катод) в вакуумную трубку и подвергал ее воздействию высокочастотного излучения. Считалось, что колеблющиеся электромагнитные поля вызывают резонанс поля атомов и, после достижения определенной амплитуды, вызывают испускание субатомных корпускул и обнаружение тока. Величина этого тока варьировалась в зависимости от интенсивности и цвета излучения. Увеличение интенсивности или частоты излучения приведет к увеличению тока.

В 1886–1902 годах Вильгельм Халлвакс и Филипп Ленард подробно исследовали явление фотоэлектрической эмиссии. Ленард заметил, что ток течет через вакуумированную стеклянную трубку, в которой заключены два электрода, когда ультрафиолетовое излучение падает на один из них. 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 производился в нескольких сантиметрах воздуха и давал большее количество положительных ионов, чем отрицательных, было естественно интерпретировать это явление, как сказал Дж. Дж. Томсон. действовал, как эффект Герца на частицы, присутствующие в газе.

20 век

В 1902 году Ленард заметил, что энергия отдельных испускаемых электронов увеличивается с частотой (которая связана с цветом ) света. Это, по-видимому, 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 и обладала достаточной мощностью, чтобы он мог исследовать изменение потенциала электрода в зависимости от частоты света. Он нашел энергию электронов, связав ее с максимальным тормозным потенциалом (напряжением) в фототрубке. Он обнаружил, что максимальная кинетическая энергия электронов определяется частотой света. Например, увеличение частоты приводит к увеличению максимальной кинетической энергии, рассчитанной для электрона при освобождении - ультрафиолетовое излучение потребует более высокого приложенного тормозного потенциала для остановки тока в фототрубке, чем синий свет. Однако результаты Ленарда были скорее качественными, чем количественными из-за сложности проведения экспериментов: эксперименты нужно было проводить на только что разрезанном металле, чтобы наблюдался чистый металл, но он окислялся за считанные минуты даже в частичном вакууме. использовал. Ток, излучаемый поверхностью, определялся интенсивностью или яркостью света: удвоение интенсивности света удваивало количество электронов, испускаемых поверхностью.

Исследования Ланжевена и Юджина Блоха показали, что большая часть эффекта Ленарда, безусловно, обусловлена эффектом Герца . Тем не менее эффект Ленарда на сам газ существует. Опрошенная Дж. Дж. Томсоном, а затем более решительно Фредериком Палмером-младшим, фотоэмиссия газа была изучена и показала совершенно другие характеристики, чем те, которые сначала приписывал ей Ленард.

В 1900 году, изучая излучение черного тела , немецкий физик Макс Планк в своей статье « О законе распределения энергии в нормальном спектре » предположил, что энергия, переносимая электромагнитными волнами, может выделяться только в виде пакетов энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, выдвинувшую гипотезу о том, что световая энергия переносится дискретными квантованными пакетами, чтобы объяснить экспериментальные данные по фотоэлектрическому эффекту. Эйнштейн предположил, что энергия в каждом кванте света равна частоте света, умноженной на константу, позже названную постоянной Планка . Фотон с частотой выше пороговой имеет энергию, необходимую для выброса одного электрона, создавая наблюдаемый эффект. Это был ключевой шаг в развитии квантовой механики . В 1914 году эксперимент Милликена подтвердил модель фотоэлектрического эффекта Эйнштейна. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года за «открытие закона фотоэлектрического эффекта», а Роберт Милликен был удостоен Нобелевской премии в 1923 году за «свою работу по элементарному заряду электричества и фотоэлектрическому эффекту». В квантовой теории возмущений атомов и твердых тел, на которые действует электромагнитное излучение, фотоэлектрический эффект все еще обычно анализируется с точки зрения волн; эти два подхода эквивалентны, потому что поглощение фотона или волны может происходить только между квантованными уровнями энергии, разность энергий которых равна энергии фотона.

Математическое описание того, как фотоэлектрический эффект был вызван поглощением квантов света, было дано Альбертом Эйнштейном в одной из его

статей Annus Mirabilis , названной « Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света ». В статье предложено простое описание световых квантов , или фотонов, и показано, как они объясняют такое явление, как фотоэлектрический эффект. Его простое объяснение в терминах поглощения дискретных квантов света согласуется с экспериментальными результатами. Это объяснило, почему энергия фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света, а не от его интенсивности : при низкой интенсивности высокочастотный источник может подавать несколько фотонов высокой энергии, а при высокой интенсивности - низкоэнергетический. частотный источник не будет подавать фотоны с индивидуальной энергией, достаточной для вытеснения каких-либо электронов. Это был огромный теоретический скачок, но поначалу эта концепция вызвала сильное сопротивление, потому что она противоречила волновой теории света, которая естественным образом вытекала из уравнений электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла и, в более общем плане, предположению о бесконечной делимости энергии в физических системах. . Даже после того, как эксперименты показали, что уравнения Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта верны, сопротивление идее фотонов продолжалось.

Работа Эйнштейна предсказывала, что энергия отдельных выброшенных электронов увеличивается линейно с частотой света. Возможно, что удивительно, но точная связь в то время не была проверена. К 1905 году было известно, что энергия фотоэлектронов увеличивается с увеличением частоты падающего света и не зависит от интенсивности света. Однако способ увеличения не был экспериментально определен до 1914 года, когда Роберт Эндрюс Милликен показал, что предсказание Эйнштейна было верным.

Фотоэлектрический эффект помог продвинуть возникшую тогда концепцию дуальности волна-частица в природе света. Свет одновременно обладает характеристиками как волн, так и частиц, каждая из которых проявляется в зависимости от обстоятельств. Эффект невозможно было понять с точки зрения классического волнового описания света, поскольку энергия испускаемых электронов не зависела от интенсивности падающего излучения. Классическая теория предсказывала, что электроны будут «собирать» энергию в течение определенного периода времени, а затем испускаться.

Использование и эффекты

Фотоумножители

Фотоумножитель

Это чрезвычайно светочувствительные вакуумные лампы с фотокатодом с покрытием внутри оболочки. Фотокатод содержит комбинации материалов, таких как цезий, рубидий и сурьма, специально подобранные для обеспечения низкой работы выхода, поэтому при освещении даже очень слабым светом фотокатод легко высвобождает электроны. Посредством ряда электродов (динодов) при все более высоких потенциалах эти электроны ускоряются и значительно увеличиваются в количестве за счет вторичной эмиссии, чтобы обеспечить легко обнаруживаемый выходной ток. Фотоумножители по-прежнему широко используются там, где необходимо обнаруживать слабый уровень света.

Датчики изображения

В трубках видеокамер на заре телевидения использовался фотоэлектрический эффект, например, «

Анализатор изображения » Фило Фарнсворта использовал экран, заряженный фотоэлектрическим эффектом, для преобразования оптического изображения в отсканированный электронный сигнал.

Фотоэлектронная спектроскопия

Эксперимент по 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 в точности равна энергии падающего фотона за вычетом энергии связи электрона внутри атома, молекулы или твердого тела, энергия связи может быть определена путем освещения монохроматическим рентгеновским или ультрафиолетовым излучением известного энергии и измерения кинетической энергии фотоэлектронов. Распределение электронов по энергиям важно для изучения квантовых свойств этих систем. Его также можно использовать для определения элементного состава образцов. Для твердых тел измеряется кинетическая энергия и распределение фотоэлектронов по углам испускания для полного определения электронной зонной структуры с точки зрения разрешенных энергий связи и импульсов электронов. Современные приборы для фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением способны измерять эти величины с точностью лучше 1 мэВ и 0,1 °.

Измерения

фотоэлектронной спектроскопии обычно выполняются в условиях высокого вакуума, потому что электроны рассеивались бы молекулами газа, если бы они присутствовали. Однако некоторые компании сейчас продают продукты, которые позволяют использовать фотоэмиссию в воздухе. Источником света может быть лазер, газоразрядная трубка или источник синхротронного излучения .

Концентрический полусферический анализатор представляет собой типичный анализатор энергии электронов. Он использует электрическое поле между двумя полушариями для изменения (рассеивания) траекторий налетающих электронов в зависимости от их кинетической энергии.

Приборы ночного видения

Фотоны, попадающие на тонкую пленку из щелочного металла или полупроводникового материала, такого как арсенид галлия, в трубке усилителя изображения, вызывают выброс фотоэлектронов из-за фотоэлектрического эффекта. Они ускоряются электростатическим полем, ударяясь о покрытый люминофором экран, 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. Дополнительная кинетическая энергия требуется, чтобы переместить электрон из зоны проводимости на уровень вакуума. Это известно как электронное сродство фотокатода 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, которые перемещаются в зону проводимости, обладают достаточной энергией для испускания из материала, поэтому пленка, поглощающая фотоны, может быть довольно толстой. Эти материалы известны как материалы с отрицательным сродством к электрону.

Космический корабль

Фотоэлектрический эффект заставит космический корабль, подвергшийся воздействию солнечного света, развить положительный заряд. Это может быть серьезной проблемой, так как другие части космического корабля находятся в тени, что приведет к выработке в космическом корабле отрицательного заряда от ближайшей плазмы. Дисбаланс может разрядиться через чувствительные электрические компоненты. Статический заряд создается с помощью фотоэлектрического эффекта самоограничивает, так как выше заряженный объект не дает свои электроны так же легко , как низший заряженный объект делает.

Лунная пыль

Свет от Солнца, падающий на лунную пыль, заставляет ее заряжаться положительно от фотоэлектрического эффекта. Затем заряженная пыль отталкивается и отрывается от поверхности Луны за счет электростатической левитации . Это проявляется почти как «атмосфера пыли», видимая как тонкая дымка и размытие далеких деталей, и видимая как тусклое свечение после захода солнца. Впервые это было сфотографировано зондами программы Surveyor в 1960-х годах, а совсем недавно марсоход Chang'e 3 наблюдал отложение пыли на лунных камнях высотой около 28 см. Считается, что мельчайшие частицы отталкиваются от поверхности на километры и что частицы движутся «фонтанами», когда они заряжаются и разряжаются.

Конкурирующие процессы и сечение фотоэмиссии

Когда энергии фотонов достигают энергии покоя электрона 511 кэВ может иметь место еще один процесс - комптоновское рассеяние . Выше вдвое больше энергии приОбразование пар с энергией 1,022 МэВ 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 подлежит квантовой статистике и не гарантируется. Вероятность возникновения фотоэлектрического эффекта измеряется сечением взаимодействия σ. Было обнаружено, что это функция атомного номера атома мишени и энергии фотона. В грубом приближении для энергий фотонов, превышающих наивысшую энергию связи атома, сечение определяется как:

{\ displaystyle \ sigma = \ mathrm {константа} \ cdot {\ frac {Z ^ {n}} {E ^ {3}}}}

Здесь Z - атомный номер, а n - число, которое варьируется от 4 до 5. Значимость фотоэлектрического эффекта быстро уменьшается в гамма-области спектра с увеличением энергии фотонов. Это также более вероятно от элементов с большим атомным номером. Следовательно, материалы с высоким Z образуют хорошую защиту от гамма-излучения , что является основной причиной, по которой свинец ( Z = 82) является предпочтительным и наиболее широко используемым.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Astronomy Cast " http://www.astronomycast.com/2014/02/ep-335-photoelectric-effect/ ". AstronomyCast.
Нейв, Р., " Двойственность волны и частицы ". Гиперфизика.
« Фотоэлектрический эффект ». Physics 2000. Университет Колорадо, Боулдер, Колорадо. (Страница не найдена)
Группа ACEPT W3, " Фотоэлектрический эффект ". Кафедра физики и астрономии, Государственный университет Аризоны, Темпе, Аризона.
Хаберкерн, Томас и Н. Дипак « Зерна мистики: квантовая физика для обывателя ». Эйнштейн демистифицирует фотоэлектрический эффект , Глава 3.
Кафедра физики " Фотоэлектрический эффект ". Лаборатория физики 320, Дэвидсон-колледж, Дэвидсон.
Фаулер, Майкл, « Фотоэлектрический эффект ». Физика 252, Университет Вирджинии.
Перейдите в раздел «

Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света », чтобы прочитать английский перевод статьи Эйнштейна 1905 года. (Дата обращения: 11 апреля 2014 г.)

http://www.chemistryexplained.com/Ru-Sp/Solar-Cells.html

Фотоэлектрические преобразователи: http://sensorse.com/page4en.html

Апплеты

" HTML 5 JavaScript simulator " Проект с открытым исходным кодом по физике
« Фотоэлектрический эффект ». Проект "Технология физического образования" (PhET). (Джава)
Фендт, Вальтер, " Фотоэлектрический эффект ". (Джава)
« Апплет: фотоэффект ». Распределенная система управления учебным контентом с открытым исходным кодом и система оценки. ( Java )

Languages

In other projects