Fotoelektronsko zračenje — fizikalno značenje, zakonitosti i primjena
Fenomen fotoelektronske emisije (ili vanjskog fotoelektričnog efekta) eksperimentalno je otkrio Heinrich Hertz 1887. tijekom eksperimenta s otvorenom šupljinom. Kada je Hertz usmjerio ultraljubičasto zračenje na cinkove iskre, istovremeno je prolaz električne iskre kroz njih bio osjetno lakši.
Tako, fotoelektronsko zračenje može se nazvati procesom emisije elektrona u vakuumu (ili u drugom mediju) iz čvrstih ili tekućih tijela pod utjecajem elektromagnetskog zračenja koje pada na njih. Najznačajnija u praksi je emisija fotoelektrona iz čvrstih tijela — u vakuumu.
1. Elektromagnetsko zračenje konstantnog spektralnog sastava koje pada na fotokatodu uzrokuje zasićenu fotostruju I, čija je vrijednost proporcionalna ozračenosti katode, odnosno broj izbačenih (emitiranih) fotoelektrona u 1 sekundi proporcionalan je intenzitet upadnog zračenja F.
2.Za svaku tvar, u skladu s njezinom kemijskom prirodom i određenim stanjem njezine površine, koji određuju rad izlaza F elektrona iz dane tvari, postoji dugovalna (crvena) granica fotoelektronskog zračenja, tj. , minimalna frekvencija v0 ispod koje je fotoelektrični efekt nemoguć.
3. Najveća početna brzina fotoelektrona određena je frekvencijom upadnog zračenja i ne ovisi o njegovom intenzitetu. Drugim riječima, maksimalna kinetička energija fotoelektrona raste linearno s porastom frekvencije upadnog zračenja i ne ovisi o intenzitetu tog zračenja.
Zakoni vanjskog fotoelektričnog efekta u načelu bi bili striktno zadovoljeni samo na temperaturi apsolutne nule, dok se zapravo, pri T > 0 K, emisija fotoelektrona opaža i na valnim duljinama većim od granične valne duljine, iako s malim brojem emitiranje elektrona. Pri ekstremno visokom intenzitetu upadnog zračenja (više od 1 W/cm 2 ), ovi se zakoni također krše, budući da ozbiljnost višefotonskih procesa postaje očita i značajna.
Fizički gledano, fenomen fotoelektronske emisije su tri uzastopna procesa.
Najprije tvar apsorbira upadni foton, uslijed čega se unutar tvari pojavljuje elektron s energijom većom od prosječne po volumenu. Taj se elektron kreće prema površini tijela i usput se dio njegove energije rasprši, jer na putu takav elektron stupa u interakciju s drugim elektronima i vibracijama kristalne rešetke. Konačno, elektron ulazi u vakuum ili drugi medij izvan tijela, prolazeći kroz potencijalnu barijeru na granici između ta dva medija.
Kao što je tipično za metale, u vidljivom i ultraljubičastom dijelu spektra fotone apsorbiraju elektroni vodljivosti. Kod poluvodiča i dielektrika elektroni se pobuđuju iz valentnog pojasa. U svakom slučaju, kvantitativna karakteristika emisije fotoelektrona je kvantni prinos — Y — broj emitiranih elektrona po upadnom fotonu.
Kvantni prinos ovisi o svojstvima tvari, o stanju njezine površine, kao i o energiji upadnih fotona.
Kod metala je dugovalna granica emisije fotoelektrona određena radom izlaza elektrona s njihove površine.Većina metala čiste površine ima rad izlaza iznad 3 eV, dok alkalijski metali imaju rad izlaza od 2 do 3 eV.
Iz tog razloga, emisija fotoelektrona s površine alkalijskih i zemnoalkalijskih metala može se promatrati čak i kada su ozračeni fotonima u vidljivom području spektra, a ne samo UV. Dok je kod običnih metala emisija fotoelektrona moguća samo počevši od UV frekvencija.
To se koristi za smanjenje radnog rada metala: film (monoatomski sloj) alkalijskih i zemnoalkalijskih metala taloži se na obični metal i tako se crvena granica emisije fotoelektrona pomiče u područje duljih valova.
Kvantni prinos Y karakterističan za metale u bliskom UV i vidljivom području je reda manjeg od 0,001 elektron/foton jer je dubina propuštanja fotoelektrona mala u usporedbi s dubinom apsorpcije svjetlosti metala.Lavovski udio fotoelektrona rasipa svoju energiju prije nego što se uopće približi izlaznoj granici metala, gubeći svaku šansu za izlazak.
Ako je energija fotona blizu praga fotoemisije, tada će većina elektrona biti pobuđena pri energijama ispod razine vakuuma i neće doprinijeti struji fotoemisije. Osim toga, koeficijent refleksije u bliskom UV i vidljivom području previsok je za metale, tako da će metal uopće apsorbirati samo vrlo mali dio zračenja. U dalekom UV području te se granice smanjuju i Y doseže 0,01 elektron/foton pri energijama fotona iznad 10 eV.
Slika prikazuje spektralnu ovisnost kvantnog prinosa fotoemisije za površinu čistog bakra:
Kontaminacija metalne površine smanjuje fotostruju i pomiče crvenu granicu u područje dulje valne duljine; u isto vrijeme, za daleko UV područje pod ovim uvjetima, Y može porasti.
Fotoelektronsko zračenje nalazi primjenu u fotoelektroničkim uređajima koji pretvaraju elektromagnetske signale različitih raspona u električne struje i napone. Primjerice, slika u nevidljivim infracrvenim signalima može se pretvoriti u vidljivu pomoću uređaja koji radi na temelju fenomena fotoelektronske emisije. Djeluje i fotoelektronsko zračenje u fotoćelijama, u raznim elektroničko-optičkim pretvaračima, u fotomultiplikatorima, fotootpornicima, fotodiodama, u cijevima s elektronskim snopom itd.
Vidi također:Kako funkcionira proces pretvaranja sunčeve energije u električnu