Фотоэлектрический эффект - Photoelectric effect

Эмиссия электронов из металлической пластины вызвана квантами света - фотонами.

В фотоэлектрический эффект это выброс электроны когда электромагнитное излучение, Такие как свет, попадает в материал. Электроны, испускаемые таким образом, называются фотоэлектронами. Явление изучается в физика конденсированного состояния, и твердое состояние и квантовая химия делать выводы о свойствах атомов, молекул и твердых тел. Эффект нашел применение в электронные устройства специализируется на обнаружении света и точно синхронизированной эмиссии электронов.

Результаты экспериментов не согласуются с классический электромагнетизм, предсказывающий, что непрерывные световые волны передают энергия электронам, которые затем будут испускаться, когда накопят достаточно энергии. Изменение в интенсивность света теоретически изменит кинетическая энергия испускаемых электронов с достаточно тусклым светом, приводящим к задержанному излучению. Вместо этого экспериментальные результаты показывают, что электроны вытесняются только тогда, когда свет превышает определенный частота - независимо от интенсивности света или продолжительности воздействия. Поскольку низкочастотный луч высокой интенсивности не может накапливать энергию, необходимую для производства фотоэлектронов, как если бы световая энергия исходила от непрерывной волны, Альберт Эйнштейн предположил, что луч света не волна распространяется в пространстве, но набор дискретных волновых пакетов, известных как фотоны.

Эмиссия электронов проводимости из типичных металлы требуется несколько электрон-вольт (эВ) кванты света, соответствующие 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 основные электроны в элементы с высоким атомный номер.[1] Изучение фотоэлектрического эффекта привело к важным шагам в понимании квантовой природы света и электронов и повлияло на формирование концепции дуальность волна-частица.[2] Другие явления, при которых свет влияет на движение электрических зарядов, включают: фотопроводящий эффект, фотоэлектрический эффект, а фотоэлектрохимический эффект.

Механизм выброса

Фотоны светового луча обладают характерной энергией, называемой энергия фотона, которая пропорциональна частоте света. В процессе фотоэмиссии, когда электрон в некотором материале поглощает энергию фотона и приобретает больше энергии, чем его энергия связи, скорее всего, он будет выброшен. Если энергия фотона слишком мала, электрон не может покинуть материал. Поскольку увеличение интенсивности низкочастотного света приведет только к увеличению числа 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.

А свободные электроны могут поглощать любую энергию, когда облученный при условии, что за этим следует немедленное повторное излучение, как в Эффект Комптона, в квантовых системах вся энергия одного фотона поглощается - если процесс разрешен квантовая механика - или вообще нет. Часть полученной энергии используется для освобождения электрона от атомной связи, а остальная часть вносит вклад в кинетическая энергия как свободная частица.[3][4][5] Поскольку электроны в материале занимают много разных квантовых состояний с разной энергией 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 из Уровень Ферми.

Когда фотоэлектрон испускается в твердое тело, а не в вакуум, термин внутренняя фотоэмиссия часто используется, а эмиссия в вакуум выделяется 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 в процессе возникает дисбаланс заряда, который, если его не нейтрализовать током, приводит к увеличению потенциального барьера до полного прекращения излучения. Энергетический барьер для фотоэмиссии обычно повышается 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 путем сжигания магния или дуговая лампа. В данное время, ртутные лампы, выброс благородных газов УФ-лампы и радиочастотная плазма источники,[6][7][8] ультрафиолетовые лазеры,[9] и синхротрон устройство для вставки[10] источники света преобладают.

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 VC который может быть настроен так, чтобы притягивать испускаемые электроны, когда он положительный, или предотвращать попадание любого из них в коллектор, когда отрицательный.

Классическая установка для наблюдения за фотоэффектом включает в себя источник света, набор фильтров для монохроматизировать свет, а вакуумная труба прозрачный для ультрафиолетового света, излучающий электрод (E), освещенный светом, и коллектор (C), напряжение которого VC можно контролировать извне.

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

Возрастающее отрицательное напряжение не позволяет всем электронам, кроме самых высокоэнергетических, достигать коллектора. Когда ток через трубку не наблюдается, отрицательное напряжение достигло значения, достаточно высокого, чтобы замедлить и остановить наиболее энергичные фотоэлектроны кинетической энергии. KМаксимум. Это значение замедляющего напряжения называется останавливающий потенциал или же отрезать потенциал Vо.[11] Поскольку работа тормозящего потенциала по остановке заряженного электрона е является эВо, следующее должно выполняться эВо= KМаксимум.

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 падения радиация ниже которого фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговая частота. Увеличение частоты падающего луча увеличивает максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов, и тормозное напряжение должно увеличиваться. Количество испускаемых электронов также может измениться, потому что вероятность То, что каждый фотон приводит к испускаемому электрону, является функцией энергии фотона.

Увеличение интенсивности того же монохроматического света (пока интенсивность не слишком высока).[12]), который пропорционален количеству фотонов, падающих на поверхность в данный момент времени, увеличивает скорость, с которой выбрасываются электроны - фотоэлектрический ток Я-но кинетическая энергия фотоэлектронов и тормозное напряжение остаются прежними. Для данного металла и частоты падающего излучения скорость выброса фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

Разница во времени между падением излучения и испусканием фотоэлектрона очень мала, менее 10−9 второй. Угловое распределение фотоэлектронов сильно зависит от поляризация (направление электрического поля) падающего света, а также квантовые свойства излучающего материала, такие как симметрии атомных и молекулярных орбиталей и электронная зонная структура кристаллических твердых тел. В материалах без макроскопического порядка распределение электронов имеет тенденцию к максимуму в направлении поляризации линейно поляризованного света.[13] Экспериментальная техника, с помощью которой можно измерить эти распределения, чтобы сделать вывод о свойствах материала: фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением.

Теоретическое объяснение

График зависимости максимальной кинетической энергии цинка от частоты света.

В 1905 г. Эйнштейн предложил теорию фотоэлектрического эффекта, используя концепцию, впервые выдвинутую Макс Планк этот свет состоит из крошечных пакетов энергии, известных как фотоны или световые кванты. Каждый пакет несет энергию что пропорционально частоте соответствующей электромагнитной волны. Константа пропорциональности стал известен как Постоянная Планка. Максимум кинетическая энергия электронов, которые были доставлены столько энергии, прежде чем они были удалены из их атомной связи, составляет

,

куда - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности материала. Это называется рабочая функция поверхности и иногда обозначают или же .[14] Если рабочая функция записана как

формула максимума кинетическая энергия выброшенных электронов становится

Кинетическая энергия положительна, а требуется для возникновения фотоэффекта.[15] Частота - пороговая частота для данного материала. Выше этой частоты максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, а также останавливающее напряжение в эксперименте возрастают линейно 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 в развитие квантовой механики.

Фотоэмиссия атомов, молекул и твердых тел

Электроны, которые связаны в атомах, молекулах и твердых телах, находятся в различных состояниях четко определенных энергии связи. Когда кванты света передают отдельному электрону больше, чем это количество энергии, электрон может быть выпущен в свободное пространство с избыточной (кинетической) энергией, которая равна выше, чем энергия 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.

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. Феноменологический трехступенчатая модель[16] Для возбуждения ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения эффект разбивается на следующие этапы:[17][18][19]

  1. Внутренний фотоэлектрический эффект в объеме материала, который представляет собой прямой оптический переход между занятым и незанятым электронным состоянием. Этот эффект подвержен квантово-механической правила отбора для дипольных переходов. Дырка, оставшаяся за электроном, может вызвать вторичную электронную эмиссию или так называемую Эффект оже, который может быть виден даже тогда, когда первичный фотоэлектрон не покидает материал. В молекулярных твердых телах фононы возбуждаются на этом этапе и могут быть видны как линии-сателлиты в конечной энергии электронов.
  2. Распространение электронов на поверхность, на которой некоторые электроны могут рассеиваться из-за взаимодействия с другими составляющими твердого тела. Электроны, которые зарождаются глубже в твердом теле, гораздо чаще подвергаются столкновениям и выходят с измененной энергией и импульсом. Их длина свободного пробега - это универсальная кривая зависит от энергии электрона.
  3. Электрон уходит через поверхностный барьер в состояния вакуума, подобные свободным электронам. На этом этапе электрон теряет энергию в размере работа 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 с энергией свободного пространства (вакуума) является работой выхода поверхности, кинетическая энергия электронов, вылетающих из твердых тел, обычно записывается как .

Бывают случаи, когда трехступенчатая модель не может объяснить особенности распределения интенсивности фотоэлектронов. Более сложные одношаговая модель[20] рассматривает эффект как когерентный процесс фотовозбуждения в конечном состоянии кристалла с конечным размером, для которого волновая функция подобна свободному электрону вне кристалла, но имеет затухающую оболочку внутри.[19]

История

19 век

В 1839 г. Александр Эдмон Беккерель обнаружил фотоэлектрический эффект изучая влияние света на электролитические ячейки.[21] Хотя это и не эквивалент фотоэлектрического эффекта, его работа фотогальваника сыграл важную роль в демонстрации тесной связи между светом и электронными свойствами материалов. В 1873 г. Уиллоуби Смит обнаруженный фотопроводимость в селен при испытании металла на его высокие свойства сопротивления в сочетании с его работой с подводными телеграфными кабелями.[22]

Иоганн Эльстер (1854–1920) и Ханс Гайтель (1855–1923), студенты Гейдельберг, исследовали эффекты, производимые светом на наэлектризованные тела, и разработали первые практические фотоэлементы, которые можно было использовать для измерения интенсивности света.[23][24]:458 Они расположили металлы в зависимости от их способности разряжать отрицательное электричество: рубидий, калий, сплав калия и натрия, натрий, литий, магний, таллий и цинк; за медь, платина, вести, утюг, кадмий, углерод, и Меркурий эффекты обычного света были слишком малы, чтобы их можно было измерить. Порядок металлов для этого эффекта был таким же, как и в серии Вольта для контактного электричества, наиболее электроположительных металлов, дающих наибольший фотоэлектрический эффект.

Золотой лист электроскоп для демонстрации фотоэлектрического эффекта. Когда электроскоп заряжен отрицательно, происходит избыток электронов, и листы разделяются. Если низковолновый, высокочастотный свет (например, ультрафиолетовый свет, полученный от дуговая лампа или при сжигании магния, или при использовании индукционной катушки между цинковыми или кадмиевыми выводами для получения искры) светится на крышке, электроскоп разряжается, и листья опадают. Однако, если частота световых волн ниже порогового значения для колпачка, листья не будут разряжаться, независимо от того, как долго светит на колпачок.

В 1887 г. Генрих Герц наблюдал фотоэлектрический эффект[25] и сообщил о производстве и приеме[26] электромагнитных волн.[27] Приемник в его аппарате состоял из катушки с разрядник, где при обнаружении электромагнитных волн будет видна искра. Он поместил аппарат 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, так как кварц не поглощает УФ-излучение.

Открытия Герца привели к серии исследований Hallwachs,[28][29] Хор,[30] Риги[31] и Столетов[32][33] о действии света и особенно ультрафиолета на заряженные тела. Hallwachs соединил цинковую пластину с электроскоп. Он позволил ультрафиолетовому свету падать на свежеочищенную цинковую пластину и заметил, что цинковая пластина становится незаряженной, если изначально заряжена отрицательно, заряжается положительно, если изначально не заряжена, и более положительно заряжается, если изначально заряжена положительно. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что некоторые отрицательно заряженные частицы испускаются цинковой пластиной при воздействии ультрафиолетового света.

Что касается Эффект 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,[34] на излучение 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 проведен А. Александр Столетов результаты представлены в шести публикациях.[33] 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, где обнаружил существование оптимального давления газа, соответствующего максимуму фототок; это свойство было использовано для создания солнечные батареи.[нужна цитата ]

Многие вещества, помимо металлов, под действием ультрафиолета выделяют отрицательное электричество. Г. К. Шмидт[35] и О. Кноблаух[36] составил список этих веществ.

В 1899 г. Дж. Дж. Томсон исследовал ультрафиолетовый свет в Трубки Крукса.[37] 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.[38] Считалось, что колеблющиеся электромагнитные поля вызывают резонанс поля атомов и, после достижения определенной амплитуды, вызывают испускание субатомных корпускул и обнаружение тока. Величина этого тока зависела от интенсивности и цвета излучения. Увеличение интенсивности или частоты излучения приведет к увеличению тока.[нужна цитата ]

В 1886–1902 гг. Вильгельм Халльвакс и Филипп Ленард подробно исследовал явление фотоэлектрической эмиссии. Ленард заметил, что ток течет через вакуумированную стеклянную трубку, охватывающую два электроды когда на одну из них попадает ультрафиолетовое излучение. Как только прекращается ультрафиолетовое излучение, прекращается и ток. Это положило начало концепции фотоэлектрическая эмиссия. Открытие ионизации газов ультрафиолетовым светом было сделано Филиппом Ленардом в 1900 году. Поскольку эффект оказывался в нескольких сантиметрах воздуха и давал большее количество положительных ионов, чем отрицательных, было естественно интерпретировать это явление, как Дж. Дж. Томсон. сделал, как Эффект Герца на частицы, присутствующие в газе.[27]

20 век

В 1902 году Ленард заметил, что энергия отдельных эмитированных электронов увеличивается с частота (что связано с цвет ) света.[3] Похоже, это противоречило утверждениям Максвелла. волновая теория света, который предсказал, что энергия электронов будет пропорциональна интенсивность излучения.

Ленард наблюдал изменение энергии электронов в зависимости от частоты света, используя мощную электрическую дуговую лампу, которая позволяла ему исследовать большие изменения интенсивности и обладала достаточной мощностью, чтобы позволить ему 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 электронная кинетическая энергия определяется частотой света. Например, увеличение частоты приводит к увеличению максимальной кинетической энергии, рассчитанной для электрона при освобождении - ультрафиолетовая радиация потребует более высокого прикладываемого тормозящего 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 с поверхности.

Исследования Ланжевена и Эжена Блоха[39] показали, что большая часть Эффект ленарда безусловно, из-за Эффект Герца. Эффект Ленарда на газе[требуется разъяснение ] сам по себе тем не менее существует. Реферат Дж. Дж. Томсона[40] а затем более решительно Фредерик Палмер-младший,[41][42] фотоэмиссия газа была изучена и показала совершенно другие характеристики, чем те, которые сначала приписывал ей Ленард.[27]

В 1900 году во время учебы излучение черного тела, немецкий физик Макс Планк предложил в своем "О законе распределения энергии в нормальном спектре."[43] документ о том, что энергия, переносимая электромагнитными волнами, может быть высвобождена только в пакеты энергии. В 1905 г. Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой выдвигает 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 Постоянная Планка. Фотон с частотой выше пороговой имеет энергию, необходимую для выброса одного электрона, создавая наблюдаемый эффект. Это был ключевой шаг в развитии квантовая механика. В 1914 г. Эксперимент Милликена поддержал модель фотоэлектрического эффекта Эйнштейна. Эйнштейн был награжден орденом 1921 г. Нобелевская премия по физике за «открытие закона фотоэлектрического эффекта»,[44] и Роберт Милликен был удостоен Нобелевской премии 1923 г. за «работу по элементарному заряду электричества и фотоэлектрическому эффекту».[45] В квантовой теории возмущений атомов и твердых тел, на которые действует электромагнитное излучение, фотоэлектрический эффект до сих пор обычно анализируется в терминах волн; эти два подхода эквивалентны, потому что поглощение фотона или волны может происходить только между квантованными уровнями энергии, разность энергий которых равна энергии фотона.[46][17]

Математическое описание Альберта Эйнштейна того, как фотоэлектрический эффект был вызван поглощением кванты света был в одном из его Документы Annus Mirabilis, названный "Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света". В документе предлагается простое описание световые кванты, или фотоны, и показали, как они объясняют такое явление, как фотоэлектрический эффект. Его простое объяснение в терминах поглощения дискретных квантов света согласуется с экспериментальными результатами. Это объясняло, почему энергия фотоэлектронов зависит только от частота падающего света, а не на его интенсивность: при низкой интенсивности высокочастотный источник может подавать несколько фотонов с высокой энергией, тогда как при высокой интенсивности низкочастотный источник не будет подавать фотоны с достаточной индивидуальной энергией, чтобы вытеснить любые электроны. Это был огромный теоретический скачок, но поначалу эта концепция вызвала сильное сопротивление, поскольку она противоречила волновой теории света, которая естественным образом вытекала из Джеймс Клерк Максвелл уравнения электромагнетизма и, в более общем смысле, предположение бесконечная делимость 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, удивительно, но точная связь в то время не была проверена. К 1905 году было известно, что энергия фотоэлектронов увеличивается с увеличением частота падающего света и не зависит от интенсивность света. Однако способ увеличения не был экспериментально определен до 1914 года, когда Роберт Эндрюс Милликен показал, что предсказание Эйнштейна было верным.[4]

Фотоэлектрический эффект помог продвинуть возникшую тогда концепцию дуальность 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.[47][48][49] так как 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.[48][50]

Использование и эффекты

Фотоумножители

Основная статья: Фотоумножитель
Фотоумножитель

Это чрезвычайно светочувствительные вакуумные лампы с покрытием. фотокатод внутри конверта. 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 серии электродов (динодов) при все более высоких потенциалах эти электроны ускоряются и значительно увеличиваются в количестве за счет вторичная эмиссия для обеспечения легко обнаруживаемого выходного тока. Фотоумножители по-прежнему широко используются там, где необходимо обнаруживать низкий уровень света.[51]

Датчики изображения

Трубки для видеокамер в первые дни телевидение использовали фотоэффект, например, Фило Фарнсворт "s"Анализатор изображений "использовал экран, заряженный фотоэлектрическим эффектом, для преобразования оптического изображения в отсканированный электронный сигнал.[52]

Фотоэлектронная спектроскопия

Основные статьи: Фотоэмиссионная спектроскопия, Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением, и Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES ) эксперимент. 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 монохромный рентгеновский снимок или же УФ свет известной энергии и измерение кинетической энергии фотоэлектронов.[17] Распределение электронов по энергиям важно 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 электронная зонная структура с точки зрения разрешенных энергий связи и импульсов электронов. Современные инструменты для фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением способны измерять эти величины с точностью лучше 1 мэВ и 0,1 °.

Фотоэлектронная спектроскопия измерения обычно выполняются в условиях высокого вакуума, потому что электроны рассеялись бы молекулами газа, если бы они присутствовали. Однако некоторые компании сейчас продают продукты, допускающие фотоэмиссию в воздухе. Источником света может быть лазер, газоразрядная трубка или синхротронное излучение источник.[53]

В концентрический полусферический анализатор 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 в тонкую пленку щелочного металла или полупроводник материал, такой как арсенид галлия в усилитель изображения трубки вызывают выброс фотоэлектронов за счет фотоэффекта. Они ускоряются электростатическое поле где они бьют люминофор экран с покрытием, преобразующий 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 микроканальная пластина. 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 препятствием для фотоэмиссии, кроме запрещенной зоны, что объясняется запрещенная зона модель. Некоторые материалы, такие как арсенид галлия, имеют эффективное сродство к электрону, которое 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 вызовет космический корабль подвергается воздействию солнечного света для развития положительного заряда. Это может быть серьезной проблемой, поскольку другие части космического корабля находятся в тени, что приведет к выработке в космическом корабле отрицательного заряда из ближайшей плазмы. Дисбаланс может разрядиться через чувствительные электрические компоненты. В статический заряд Создаваемый фотоэлектрическим эффектом является самоограничивающимся, потому что более заряженный объект не отдает свои электроны так же легко, как более низко заряженный объект.[54][55]

Лунная пыль

Свет Солнца, падающий на лунную пыль, заставляет ее заряжаться положительно за счет фотоэлектрического эффекта. Заряженная пыль затем отталкивается и поднимается с поверхности Луна к электростатическая левитация.[56][57] Это проявляется почти как «атмосфера пыли», видимая как тонкая дымка и размытие далеких деталей, и видимая как тусклое свечение после захода солнца. Это было впервые сфотографировано Сюрвейерская программа зонды в 1960-х. Считается, что мельчайшие частицы отталкиваются от поверхности на километры и что частицы движутся «фонтанами» по мере их зарядки и разрядки.

Конкурирующие процессы и сечение фотоэмиссии

Когда энергии фотонов достигают энергии покоя электрона 511 кэВ, еще один процесс, Комптоновское рассеяние, может иметь место. Выше вдвое больше энергии при 1.022 МэВ парное производство тоже более вероятно.[58] Комптоновское рассеяние и рождение пар являются примерами двух других конкурирующих механизмов.

Даже если фотоэлектрический эффект является предпочтительной реакцией для определенного взаимодействия одиночного фотона со связанным электроном, результат также подлежит квантовой статистике и не гарантируется. Вероятность возникновения фотоэлектрического эффекта измеряется поперечное сечение 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 выражением:[59]

Здесь Z это атомный номер и п - 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, высокиеZ материалы делают добро гамма-луч щиты, что является основной причиной, по которой свинец (Z = 82) является предпочтительным и наиболее широко используемым.[60]

Смотрите также

Взаимодействие света с веществом
Взаимодействие света с веществом - schematic.svg
Явления низкой энергии:
Фотоэлектрический эффект
Явления средней энергии:
Томсоновское рассеяние
Комптоновское рассеяние
Явления высоких энергий:
Производство пар
Фотодезинтеграция
Фотоделение

Рекомендации

  1. ^ "Буклет рентгеновских данных". xdb.lbl.gov. Получено 2020-06-20.
  2. ^ Сервей, Р. А. (1990). Физика для ученых и инженеров (3-е изд.). Сондерс. п. 1150. ISBN  0-03-030258-7.
  3. ^ а б Ленард, П. (1902). "Ueber die lichtelektrische Wirkung". Annalen der Physik. 313 (5): 149–198. Bibcode:1902АнП ... 313..149Л. Дои:10.1002 / иp.19023130510.
  4. ^ а б Милликен, Р. (1914). «Прямое определение»час."". Физический обзор. 4 (1): 73–75. Bibcode:1914ПхРв .... 4Р..73М. Дои:10.1103 / PhysRev.4.73.2.
  5. ^ Милликен, Р. (1916). «Прямое фотоэлектрическое определение Планка»час"" (PDF). Физический обзор. 7 (3): 355–388. Bibcode:1916ПхРв .... 7..355М. Дои:10.1103 / PhysRev.7.355. Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-11-21. Получено 2011-07-09.
  6. ^ «MBScientific Электронные анализаторы и УФ-источники».
  7. ^ "Scienta Omicron ARPES Lab".
  8. ^ «Система SPECS ARPES с анализатором PHOIBOS».
  9. ^ «Лазерные системы Lumeras UV и VUV».
  10. ^ «Источники света мира».
  11. ^ Gautreau, R .; Савин, В. (1999). Очерк современной физики Шаума (2-е изд.). Макгроу-Хилл. С. 60–61. ISBN  0-07-024830-3.
  12. ^ Чжан, К. (1996). «Зависимость от интенсивности фотоэлектрического эффекта, индуцированного лазерным лучом с круговой поляризацией». Письма о физике A. 216 (1–5): 125. Bibcode:1996ФЛА..216..125З. Дои:10.1016/0375-9601(96)00259-9.
  13. ^ Бабб, Ф. (1924). «Направление выброса фотоэлектронов поляризованным рентгеновским излучением». Физический обзор. 23 (2): 137–143. Bibcode:1924ПхРв ... 23..137Б. Дои:10.1103 / PhysRev.23.137.
  14. ^ Mee, C .; Crundell, M .; Арнольд, В .; Браун, W. (2011). Международный уровень A / AS по физике. Hodder Education. п. 241. ISBN  978-0-340-94564-3.
  15. ^ Фромхолд, А. Т. (1991). Квантовая механика в прикладной физике и технике. Courier Dover Publications. С. 5–6. ISBN  978-0-486-66741-6.
  16. ^ Berglund, C.N .; Спайсер, У. Э. (1964-11-16). "Фотоэмиссионные исследования меди и серебра: теория". Физический обзор. 136 (4A): A1030 – A1044. Bibcode:1964ПхРв..136.1030Б. Дои:10.1103 / PhysRev.136.A1030.
  17. ^ а б c Хюфнер, С. (2003). Фотоэлектронная спектроскопия: принципы и приложения. Springer. ISBN  3-540-41802-4.
  18. ^ Дамаскелли, Андреа; Шэнь, Чжи-Сюнь; Хуссейн, Захид (17 апреля 2003 г.). «Фотоэмиссионная спектроскопия купратных сверхпроводников с угловым разрешением». Обзоры современной физики. 75 (2): 473–541. arXiv:cond-mat / 0208504. Дои:10.1103 / RevModPhys.75.473. ISSN  0034-6861. S2CID  118433150.
  19. ^ а б Собота, Джонатан А .; Эй ты; Шэнь, Чжи-Сюнь (2020-08-05). «Электронная структура квантовых материалов изучается методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением». arXiv:2008.02378 [cond-mat.str-el ].
  20. ^ Махан, Г. Д. (1970-12-01). «Теория фотоэмиссии в простых металлах». Физический обзор B. 2 (11): 4334–4350. Bibcode:1970ПхРвБ ... 2.4334М. Дои:10.1103 / PhysRevB.2.4334.
  21. ^ Веселинка Петрова-Кох; Рудольф Хезель; Адольф Гетцбергер (2009). Высокоэффективная недорогая фотогальваника: последние разработки. Springer. стр. 1–. Дои:10.1007/978-3-540-79359-5_1. ISBN  978-3-540-79358-8.
  22. ^ Смит, В. (1873 г.). «Воздействие света на селен при прохождении электрического тока». Природа. 7 (173): 303. Bibcode:1873 Натур ... 7Р.303.. Дои:10.1038 / 007303e0.
  23. ^ Азимов, А. (1964) Биографическая энциклопедия науки и технологий Азимова, Doubleday, ISBN  0-385-04693-6.
  24. ^ Роберт Бад; Дебора Джин Уорнер (1998). Инструменты науки: историческая энциклопедия. Музей науки, Лондон, и Национальный музей американской истории, Смитсоновский институт. ISBN  978-0-8153-1561-2.
  25. ^ Герц, Генрих (1887). "Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung". Annalen der Physik. 267 (8): 983–1000. Bibcode:1887AnP ... 267..983H. Дои:10.1002 / andp.18872670827.
  26. ^ Герц, Х. (1887). "Ueber sehr schnelle electrische Schwingungen". Annalen der Physik und Chemie. 267 (7): 421–448. Bibcode:1887AnP ... 267..421H. Дои:10.1002 / andp.18872670707. ISSN  0003-3804.
  27. ^ а б c Блох, Евгений (1914). «Последние достижения в области электромагнетизма». Годовой отчет попечительского совета Смитсоновского института за 1913 год. Вашингтон, округ Колумбия: Смитсоновский институт. п. 239. Получено 2 мая 2020.
  28. ^ Hallwachs, Вильгельм (1888). "Ueber den Einfluss des Lichtes auf electrostatisch geladene Körper". Annalen der Physik. 269 (2): 301–312. Bibcode:1888AnP ... 269..301H. Дои:10.1002 / andp.18882690206. ISSN  1521-3889.
  29. ^ Hallwachs, Wied. Анна. xxxiii. п. 301, 1888 г.
  30. ^ Хор, Реперториум физики, XXV. п. 91, 1889 г.
  31. ^ Биги, К. Р. cvi. п. 1349; cvii. п. 559, 1888 г.
  32. ^ Столетов. C. R. cvi. стр. 1149, 1593; cvii. п. 91; cviii. п. 1241; Physikalische Revue, Bd. я., 1892.
  33. ^ а б
  34. ^ Hallwachs, W. (1907). "Über die lichtelektrische Ermüdung". Annalen der Physik. 328 (8): 459–516. Bibcode:1907AnP ... 328..459H. Дои:10.1002 / andp.19073280807.
  35. ^ Шмидт, Г. К. (1898) Вид. Анна. Uiv. п. 708.
  36. ^ Кноблаух, О. (1899). Zeitschrift für Physikalische Chemie. XXIX. п. 527.
  37. ^ Международный ежегодник. (1900). Нью-Йорк: Додд, Мид и компания. п. 659.
  38. ^ Истории электрона: рождение микрофизики. Бухвальд, Джед З., Уорик, Эндрю. Кембридж, Массачусетс: MIT Press. 2001 г. ISBN  978-0-262-26948-3. OCLC  62183406.CS1 maint: другие (связь)
  39. ^ Блох, Э. (1908). "L'ionisation de l'air par la lumière ultra-violette". Le Radium. 5 (8): 240. Дои:10.1051 / радий: 0190800508024001.
  40. ^ Томсон, Дж. Дж. (1907). «Об ионизации газов ультрафиолетовым светом и о доказательствах структуры света, обусловленных его электрическими эффектами». Proc. Camb. Фил. Soc. 14: 417.
  41. ^ Палмер, Фредерик (1908). «Ионизация воздуха ультрафиолетовым светом». Природа. 77 (2008): 582. Bibcode:1908Натура..77..582П. Дои:10.1038 / 077582b0. S2CID  4028617.
  42. ^ Палмер, Фредерик (1911). «Объемная ионизация, производимая светом с очень короткой длиной волны». Физический обзор. Серия I. 32 (1): 1–22. Bibcode:1911ПхРви..32 .... 1П. Дои:10.1103 / PhysRevSeriesI.32.1.
  43. ^ Планк, Макс (1901). "Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum (О законе распределения энергии в нормальном спектре)". Annalen der Physik. 4 (3): 553. Bibcode:1901АнП ... 309..553П. Дои:10.1002 / andp.19013090310.
  44. ^ "Нобелевская премия по физике 1921 г.". Нобелевский фонд. Получено 2008-10-09.
  45. ^ "Нобелевская премия по физике 1923 г.". Нобелевский фонд. Получено 2015-03-29.
  46. ^ Лэмб младший, Уиллис Э.; Скалли, Марлан О. (1968). «Фотоэффект без фотонов» (PDF). Корал-Гейблс, Флорида: Центр теоретической физики Университета Майами. мы понимаем фотоэффект как результат падения классического поля на квантованный атомный электрон.
  47. ^ Резник, Роберт (1972) Основные понятия теории относительности и ранней квантовой теории, Wiley, стр. 137, ISBN  0-471-71702-9.
  48. ^ а б Рыцарь, Рэндалл Д. (2004) Физика для ученых и инженеров с современной физикой: стратегический подход, Пирсон-Аддисон-Уэсли, стр. 1224, г. ISBN  0-8053-8685-8.
  49. ^ Пенроуз, Роджер (2005) Дорога к реальности: полное руководство по законам Вселенной, Кнопф, стр. 502, г. ISBN  0-679-45443-8
  50. ^ Резник, Роберт (1972) Основные понятия теории относительности и ранней квантовой теории, Wiley, стр. 138, ISBN  0-471-71702-9.
  51. ^ Тимоти, Дж. Гетин (2010) в Huber, Martin C.E. (ed.) Наблюдение за фотонами в космосе, Научный отчет ISSI 009, Коммуникации ЕКА, стр. 365–408, ISBN  978-92-9221-938-3
  52. ^ Бернс, Р. В. (1998) Телевидение: международная история первых лет становления, ИЭПП, стр. 358, ISBN  0-85296-914-7.
  53. ^ Weaver, J. H .; Маргаритондо, Г. (1979). «Фотоэлектронная спектроскопия твердого тела с синхротронным излучением». Наука. 206 (4415): 151–156. Bibcode:1979Наука ... 206..151Вт. Дои:10.1126 / science.206.4415.151. PMID  17801770. S2CID  23594185.
  54. ^ Лай, Шу Т. (2011). Основы зарядки космических аппаратов: взаимодействие космических аппаратов с космической плазмой (иллюстрированный ред.). Издательство Принстонского университета. С. 1–6. ISBN  978-0-691-12947-1.
  55. ^ «Зарядка космического корабля». Государственный университет Аризоны.
  56. ^ Белл, Труди Э., "Лунные фонтаны", NASA.gov, 2005-03-30.
  57. ^ Пыль получает заряд в вакууме. spacedaily.com, 14 июля 2000 г.
  58. ^ Эванс, Р. Д. (1955). Атомное ядро. Малабар, Флорида: Кригер. п.712. ISBN  0-89874-414-8.
  59. ^ Дэвиссон, К. М. (1965). «Взаимодействие гамма-излучения с веществом». В Кай Зигбан (ред.). Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия: Том 1. Амстердам: Издательская компания Северной Голландии. С. 37–78. Bibcode:1965abgs.conf ... 37D.
  60. ^ Кнолль, Гленн Ф. (1999). Обнаружение и измерение радиации. Нью-Йорк: Вили. п.49. ISBN  0-471-49545-X.

внешняя ссылка

Апплеты