Фотоэлектрический эффект

Эмиссия электронов при воздействии электромагнитного излучения на материал

Фотоэмиссия электронов из металлической пластины, сопровождающаяся поглощением квантов света – фотонов

Фотоэлектрический эффект — это испускание электронов из материала под действием электромагнитного излучения , например ультрафиолетового света . Электроны, испускаемые таким образом, называются фотоэлектронами. Это явление изучается в физике конденсированного состояния , твердого тела и квантовой химии для того, чтобы делать выводы о свойствах атомов, молекул и твердых тел. Эффект нашел применение в электронных устройствах, специализированных для обнаружения света и точной синхронизированной эмиссии электронов.

Экспериментальные результаты не согласуются с классическим электромагнетизмом , который предсказывает, что непрерывные световые волны передают энергию электронам, которые затем будут испускаться, когда они накапливают достаточно энергии. Изменение интенсивности света теоретически изменило бы кинетическую энергию испускаемых электронов, при этом достаточно тусклый свет приводил бы к задержке излучения. Экспериментальные результаты вместо этого показывают, что электроны вытесняются только тогда, когда свет превышает определенную частоту — независимо от интенсивности света или продолжительности воздействия. Поскольку низкочастотный луч при высокой интенсивности не накапливает энергию, необходимую для производства фотоэлектронов, как это было бы в случае, если бы энергия света накапливалась со временем из непрерывной волны, Альберт Эйнштейн предположил, что луч света — это не волна, распространяющаяся в пространстве, а рой дискретных энергетических пакетов, известных как фотоны — термин, введенный Гилбертом Н. Льюисом в 1926 году. ^[1]

Для испускания электронов проводимости из типичных металлов требуется несколько электрон-вольтных (эВ) квантов света, соответствующих коротковолновому видимому или ультрафиолетовому свету. В экстремальных случаях испускание индуцируется фотонами, приближающимися к нулевой энергии, как в системах с отрицательным сродством к электрону и испусканием из возбужденных состояний, или несколькими сотнями кэВ фотонов для основных электронов в элементах с высоким атомным номером . ^[2] Изучение фотоэлектрического эффекта привело к важным шагам в понимании квантовой природы света и электронов и повлияло на формирование концепции корпускулярно-волнового дуализма . ^[3] Другие явления, в которых свет влияет на движение электрических зарядов, включают фотопроводящий эффект, фотогальванический эффект и фотоэлектрохимический эффект .

Механизм эмиссии

Фотоны светового луча имеют характерную энергию, называемую энергией фотона , которая пропорциональна частоте света. В процессе фотоэмиссии, когда электрон внутри некоторого материала поглощает энергию фотона и приобретает больше энергии, чем его энергия связи , он, скорее всего, будет выброшен. Если энергия фотона слишком мала, электрон не сможет покинуть материал. Поскольку увеличение интенсивности низкочастотного света только увеличит количество низкоэнергетических фотонов, это изменение интенсивности не создаст ни одного фотона с достаточной энергией, чтобы выбить электрон. Более того, энергия испускаемых электронов не будет зависеть от интенсивности входящего света заданной частоты, а только от энергии отдельных фотонов. ^[4]

В то время как свободные электроны могут поглощать любую энергию при облучении , если за этим следует немедленное повторное излучение, как в эффекте Комптона , в квантовых системах поглощается вся энергия от одного фотона — если этот процесс допускается квантовой механикой — или вообще не поглощается. Часть приобретенной энергии используется для освобождения электрона от его атомной связи, а остальная часть вносит вклад в кинетическую энергию электрона как свободной частицы. ^{[5] [6] [7]} Поскольку электроны в материале занимают много различных квантовых состояний с различными энергиями связи и поскольку они могут терпеть потери энергии на своем пути 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 используют термин внутренняя фотоэмиссия , а испускание в вакуум называют внешней 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 происходит потому, что процесс создает дисбаланс заряда, который, если не нейтрализуется потоком тока, приводит к увеличению потенциального барьера до тех пор, пока эмиссия полностью не прекратится. Энергетический барьер для фотоэмиссии обычно увеличивается за счет непроводящих оксидных слоев на металлических поверхностях, поэтому большинство практических экспериментов и устройств, основанных на фотоэлектрическом эффекте, используют чистые металлические поверхности в вакуумных трубках. Вакуум также помогает наблюдать за электронами, поскольку он не позволяет газам препятствовать их потоку между электродами. ^{[ необходима цитата ]}

Поскольку солнечный свет из-за поглощения атмосферой не дает большого количества ультрафиолетового света, свет, богатый ультрафиолетовыми лучами, раньше получали путем сжигания магния или с помощью дуговой лампы . В настоящее время преобладают ртутные лампы , газоразрядные УФ-лампы и источники радиочастотной плазмы , ^{[8] [9] [10]} ультрафиолетовые лазеры , ^[11] и синхротронные вставные устройства ^[12] источников света.

Схема эксперимента по демонстрации фотоэлектрического эффекта. Отфильтрованный монохроматический свет определенной длины волны падает на излучающий электрод (E) внутри вакуумной трубки. Коллекторный электрод (C) смещен до напряжения V _C , которое можно настроить так, чтобы притягивать испускаемые электроны, когда они положительные, или не допускать их попадания на коллектор, когда они отрицательные.

Классическая установка для наблюдения фотоэлектрического эффекта включает в себя источник света, набор фильтров для монохроматизации света, вакуумную трубку, прозрачную для ультрафиолетового света, излучающий электрод (E), подвергающийся воздействию света, и коллектор (C), напряжением V _C которого можно управлять извне. ^{[ необходима ссылка ]}

Положительное внешнее напряжение используется для направления фотоэмиттированных электронов на коллектор. Если частота и интенсивность падающего излучения фиксированы, фотоэлектрический ток I увеличивается с ростом положительного напряжения, поскольку все больше и больше электронов направляется на электрод. Когда никакие дополнительные фотоэлектроны не могут быть собраны, фотоэлектрический ток достигает значения насыщения. Этот ток может увеличиваться только с увеличением интенсивности света. ^{[ необходима цитата ]}

Растущее отрицательное напряжение препятствует достижению коллектора всеми электронами, кроме электронов с самой высокой энергией. Когда ток через трубку не наблюдается, отрицательное напряжение достигло значения, достаточно высокого для замедления и остановки самых энергичных фотоэлектронов с кинетической энергией K _max . Это значение задерживающего напряжения называется останавливающим потенциалом или потенциалом отсечки V _o . ^[13] Поскольку работа, совершаемая задерживающим потенциалом при остановке электрона с зарядом e, равна eV _o , должно выполняться следующее соотношение eV _o  =  K _{max .}

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 падающего излучения , ниже которой фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговой частотой . Увеличение частоты падающего луча увеличивает максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов, и останавливающее напряжение должно увеличиться. Количество испускаемых электронов также может измениться, поскольку вероятность того , что каждый фотон приведет к испускаемому электрону, является функцией энергии фотона ^{[ требуется цитата ]} .

Увеличение интенсивности того же монохроматического света (при условии, что интенсивность не слишком высока ^[14] ), которая пропорциональна числу фотонов, падающих на поверхность за данное время, увеличивает скорость, с которой выбрасываются электроны — фотоэлектрический ток I, — но кинетическая энергия фотоэлектронов и останавливающее напряжение остаются прежними. Для данного металла и частоты падающего излучения скорость, с которой выбрасываются фотоэлектроны, прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

Временная задержка между падением излучения и испусканием фотоэлектрона очень мала, менее 10−9 ^{секунды} . Угловое распределение фотоэлектронов сильно зависит от поляризации (направления электрического поля) падающего света, а также от квантовых свойств излучающего материала, таких как атомная и молекулярная орбитальная симметрия и электронная зонная структура кристаллических твердых тел. В материалах без макроскопического порядка распределение электронов имеет тенденцию к пику в направлении поляризации линейно поляризованного света. ^[15] Экспериментальная техника, которая может измерить эти распределения, чтобы сделать вывод о свойствах материала, — это фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением .

Теоретическое объяснение

Диаграмма максимальной кинетической энергии в зависимости от частоты света на цинке

В 1905 году Эйнштейн предложил теорию фотоэлектрического эффекта, используя концепцию, согласно которой свет состоит из крошечных пакетов энергии, известных как фотоны или кванты света. Каждый пакет несет энергию , пропорциональную частоте соответствующей электромагнитной волны. Константа пропорциональности стала известна как постоянная Планка . В диапазоне кинетических энергий электронов, которые удаляются из своих изменяющихся атомных связей путем поглощения фотона энергии , самая высокая кинетическая энергия равна Здесь — минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности материала. Она называется работой выхода поверхности и иногда обозначается или . ^[16] Если работа выхода записана как формула для максимальной кинетической энергии выброшенных электронов становится ${\displaystyle h\nu }$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle h\nu }$ ${\displaystyle K_{\max }}$ $${\displaystyle K_{\max }=h\,\nu -W.}$$ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle \varphi }$ $${\displaystyle W=h\,\nu _{o},}$$ $${\displaystyle K_{\max }=h\left(\nu -\nu _{o}\right).}$$

Кинетическая энергия положительна и необходима для возникновения фотоэлектрического эффекта. ^[17] Частота является пороговой частотой для данного материала. Выше этой частоты максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, а также останавливающее напряжение в эксперименте возрастают линейно с частотой и не зависят от числа фотонов и интенсивности падающего монохроматического света. Формула Эйнштейна, какой бы простой она ни была, объяснила всю феноменологию фотоэлектрического эффекта и имела далеко идущие последствия в развитии квантовой механики . ${\displaystyle \nu >\nu _{o}}$ ${\displaystyle \nu _{o}}$ ${\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}$

Фотоэмиссия из атомов, молекул и твердых тел

Электроны, которые связаны в атомах, молекулах и твердых телах, занимают каждое из различных состояний четко определенных энергий связи . Когда кванты света передают больше этого количества энергии отдельному электрону, электрон может быть испущен в свободное пространство с избыточной (кинетической) энергией, которая выше энергии связи электрона. Распределение кинетических энергий, таким образом, отражает распределение энергий связи электронов в атомной, молекулярной или кристаллической системе: электрон, испущенный из состояния с энергией связи, находится с кинетической энергией . Это распределение является одной из основных характеристик квантовой системы и может быть использовано для дальнейших исследований в области квантовой химии и квантовой физики. ^{[ необходима цитата ]} ${\displaystyle h\nu }$ ${\displaystyle E_{B}}$ ${\displaystyle E_{k}=h\nu -E_{B}}$

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 в фотоэлектрическом эффекте. Феноменологическая трехступенчатая модель ^[18] для ультрафиолетового и мягкого рентгеновского возбуждения разлагает эффект на следующие шаги: ^{[19] [20] [21]}

1. Внутренний фотоэлектрический эффект в объеме материала, который является прямым оптическим переходом между занятым и незанятым электронным состоянием. Этот эффект подчиняется квантово-механическим правилам отбора для дипольных переходов. Дырка, оставшаяся после электрона, может привести к вторичной электронной эмиссии, или так называемому эффекту 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 сателлитные линии в конечной энергии электрона.
2. Распространение электронов к поверхности, в которой некоторые электроны могут рассеиваться из-за взаимодействия с другими компонентами твердого тела. Электроны, которые возникают глубже в твердом теле, с гораздо большей вероятностью будут испытывать столкновения и выходить с измененной энергией и импульсом. Их длина свободного пробега является универсальной кривой, зависящей от энергии электрона.
3. Электрон уходит 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 энергия 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, испускаемых твердыми телами, обычно записывается как . ${\displaystyle E_{F}}$ ${\displaystyle E_{k}=h\nu -W-E_{B}}$

Существуют случаи, когда трехступенчатая модель не может объяснить особенности распределения интенсивности фотоэлектронов. Более сложная одноступенчатая модель ^[22] рассматривает эффект как когерентный процесс фотовозбуждения в конечное состояние конечного кристалла, для которого волновая функция подобна свободным электронам вне кристалла, но имеет распадающуюся огибающую внутри. ^[21]

История

19 век

В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл связанный с этим фотогальванический эффект , изучая воздействие света на электролитические ячейки . ^[23] Хотя его работа по фотогальванике не была эквивалентна фотоэлектрическому эффекту, она сыграла важную роль в демонстрации тесной связи между световыми и электронными свойствами материалов. В 1873 году Уиллоуби Смит открыл фотопроводимость в селене , испытывая металл на его высокие свойства сопротивления в связи со своей работой с подводными телеграфными кабелями. ^[24]

Иоганн Эльстер (1854–1920) и Ганс Гейтель (1855–1923), студенты в Гейдельберге , исследовали эффекты, производимые светом на электрифицированные тела, и разработали первые практические фотоэлектрические элементы, которые можно было использовать для измерения интенсивности света. ^{[25] [26] : 458} Они расположили металлы по 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 с обычным светом были слишком малы, чтобы их можно было измерить. Порядок металлов для этого эффекта был таким же, как в ряду Вольта для контактного электричества, самые электроположительные металлы давали самый большой фотоэлектрический эффект.

Электроскоп с золотым листом , демонстрирующий фотоэлектрический эффект. Когда диск электроскопа отрицательно заряжен избыточными электронами, золотые листочки взаимно отталкиваются. Если затем на диск попадет свет высокой энергии (например, ультрафиолетовый), электроны испускаются фотоэлектрическим эффектом, и отталкивание листочков прекращается. Но если используемый свет имеет недостаточно энергии для стимуляции электронной эмиссии, листочки остаются разделенными независимо от продолжительности.

В 1887 году Генрих Герц наблюдал фотоэлектрический эффект ^[27] и сообщил о производстве и приеме ^[28] электромагнитных волн. ^[29] Приемник в его аппарате состоял из катушки с искровым промежутком , где искра была видна при обнаружении электромагнитных волн. Он поместил аппарат в затемненный ящик, чтобы лучше видеть искру. Однако он заметил, что максимальная длина искры уменьшалась, когда он находился внутри ящика. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала ультрафиолетовое излучение, которое помогало электронам перепрыгивать через зазор. При ее удалении длина искры увеличивалась. Он не наблюдал уменьшения длины искры, когда он заменил стекло кварцем, поскольку кварц не поглощает УФ-излучение. ^{[ необходима цитата ]}

Открытия Герца привели к серии исследований Вильгельма Хальвакса , ^{[30] [31]} Хора, ^[32] Аугусто Риги ^[33] и Александра Столетова ^{[34] [35]} по влиянию света, и особенно ультрафиолетового света, на заряженные тела. Хальвакс подключил цинковую пластину к электроскопу . Он позволил ультрафиолетовому свету падать на свежеочищенную цинковую пластину и заметил, что цинковая пластина становилась незаряженной, если изначально была отрицательно заряженной, положительно заряженной, если изначально была незаряженной, и более положительно заряженной, если изначально была положительно заряженной. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что некоторые отрицательно заряженные частицы испускались 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 мнению Холлвакса, озон играл важную роль в явлении, ^[36] а на излучение влияли окисление, влажность и степень полировки поверхности. В то время было неясно, отсутствует ли усталость в вакууме. ^{[ необходима цитата ]}

В период с 1888 по 1891 год подробный анализ фотоэффекта был выполнен Александром Столетовым , и результаты были представлены в шести публикациях. ^[35] Столетов изобрёл новую экспериментальную установку, которая была более подходящей для количественного анализа фотоэффекта. Он открыл прямую пропорциональность между интенсивностью света и индуцированным фототоком (первый закон фотоэффекта или закон Столетова ). Он измерил зависимость интенсивности фототока от давления газа, где он обнаружил существование оптимального давления газа, соответствующего максимальному фототоку ; это свойство было использовано для создания солнечных элементов . ^{[ необходима цитата ]}

Многие вещества, помимо металлов, разряжают отрицательное электричество под действием ультрафиолетового света. Г. К. Шмидт ^[37] и О. Кноблаух ^[38] составили список этих веществ.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон исследовал ультрафиолетовый свет в трубках Крукса . ^[39] Томсон пришел к выводу, что выброшенные частицы, которые он назвал корпускулами, имели ту же природу, что и катодные лучи . Эти частицы позже стали известны как электроны. Томсон поместил металлическую пластину (катод) в вакуумную трубку и подверг ее воздействию высокочастотного излучения. ^[40] Считалось, что колеблющиеся электромагнитные поля вызывали резонанс поля атомов и, достигнув определенной амплитуды, вызывали испускание субатомных корпускул и обнаружение тока. Величина этого тока менялась в зависимости от интенсивности и цвета излучения. Большая интенсивность или частота излучения производила больший ток. ^{[ необходима цитата ]}

В 1886–1902 годах Вильгельм Хальвакс и Филипп Ленард подробно исследовали явление фотоэлектрической эмиссии. Ленард наблюдал, что ток течет через вакуумированную стеклянную трубку, охватывающую два электрода , когда на один из них падает ультрафиолетовое излучение. Как только ультрафиолетовое излучение прекращается, ток также прекращается. Это инициировало концепцию фотоэлектрической эмиссии. Открытие ионизации газов ультрафиолетовым светом было сделано Филиппом Ленардом в 1900 году. Поскольку эффект производился на протяжении нескольких сантиметров воздуха и давал большее количество положительных ионов, чем отрицательных, было естественно интерпретировать это явление, как это сделал Дж. Дж. Томсон, как эффект Герца на частицы, присутствующие в газе. ^[29]

20 век

В 1902 году Ленард заметил, что энергия отдельных испускаемых электронов не зависит от интенсивности приложенного света. ^{[5] [41]} Это, казалось, 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 дуговую лампу, которая позволила ему исследовать большие изменения интенсивности. Однако результаты Ленарда были скорее качественными, чем количественными из-за сложности проведения экспериментов: эксперименты нужно было проводить на свежесрезанном металле, чтобы можно было наблюдать чистый металл, но он окислялся в течение нескольких минут даже в частичном вакууме, который он использовал. Ток, испускаемый поверхностью, определялся интенсивностью света или яркостью: удвоение интенсивности света удваивало количество электронов, испускаемых поверхностью. ^{[ необходима цитата ]}

Первоначальное исследование фотоэлектрического эффекта в газах, проведенное Ленардом ^[42], было продолжено Дж. Дж. Томсоном ^[43] , а затем более решительно Фредериком Палмером-младшим ^{[44] [45].} Газовая фотоэмиссия была изучена и показала совершенно иные характеристики, чем те, которые изначально приписывал ей Ленард. ^[29]

В 1900 году, изучая излучение черного тела , немецкий физик Макс Планк в своей статье «О законе распределения энергии в нормальном спектре» ^[46] предположил , что энергия, переносимая электромагнитными волнами, может высвобождаться только порциями энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой выдвинул гипотезу о том, что световая энергия переносится дискретными квантованными порциями, чтобы объяснить экспериментальные данные фотоэлектрического эффекта. Эйнштейн предположил, что энергия в каждом кванте света равна частоте света, умноженной на константу, позже названную постоянной Планка . Фотон выше пороговой частоты имеет необходимую энергию, чтобы выбросить один электрон, создавая наблюдаемый эффект. Это был шаг в развитии квантовой механики . В 1914 году Роберт А. Милликен провел высокоточные измерения постоянной Планка из фотоэлектрического эффекта, подтвердив модель Эйнштейна, хотя корпускулярная теория света была для Милликена в то время «совершенно немыслимой». ^[47] Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года за «открытие закона фотоэлектрического эффекта», ^[48] а Милликен был удостоен Нобелевской премии в 1923 году за «работу над элементарным зарядом электричества и фотоэлектрическим эффектом». ^[49] В квантовой теории возмущений атомов и твердых тел, на которые воздействует электромагнитное излучение, фотоэлектрический эффект по-прежнему обычно анализируется в терминах волн; эти два подхода эквивалентны, поскольку поглощение фотона или волны может происходить только между квантованными уровнями энергии, разность энергий которых равна энергии фотона. ^{[50] [19]}

Математическое описание Альбертом Эйнштейном того, как фотоэлектрический эффект был вызван поглощением квантов света, было в одной из его статей Annus Mirabilis , названной «Об эвристической точке зрения относительно производства и преобразования света». ^[51] В статье предлагалось простое описание квантов энергии и показывалось, как они объясняют спектр излучения черного тела. Его объяснение в терминах поглощения дискретных квантов света согласовывалось с экспериментальными результатами. Оно объясняло, почему энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света . Это был теоретический скачок, но эта концепция поначалу встретила сильное сопротивление, поскольку 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.

Работа Эйнштейна предсказала, что энергия отдельных выброшенных электронов линейно увеличивается с частотой света. 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 Милликен показал, что предсказание Эйнштейна было верным. ^[6]

Фотоэлектрический эффект помог продвинуть тогдашнюю концепцию корпускулярно-волнового дуализма в природе света. Свет одновременно обладает характеристиками как волн, так и частиц, каждая из которых проявляется в зависимости от обстоятельств. Эффект невозможно было понять в терминах классического волнового описания света, ^{[52] [53] [54],} 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. ^{[53] [55]}

Применение и эффекты

Фотоумножители

Фотоумножитель

Это чрезвычайно светочувствительные вакуумные трубки с покрытым фотокатодом внутри оболочки. Фотокатод содержит комбинации материалов, таких как цезий, рубидий и сурьма, специально подобранные для обеспечения низкой работы выхода, поэтому при освещении даже очень низким уровнем света фотокатод легко высвобождает электроны. С помощью ряда электродов (динодов) при все более высоких потенциалах эти электроны ускоряются и существенно увеличиваются в количестве посредством вторичной эмиссии, чтобы обеспечить легко обнаруживаемый выходной ток. Фотоумножители по-прежнему широко используются везде, где необходимо обнаруживать низкие уровни света. ^[56]

Датчики изображения

Видеокамеры на заре телевидения использовали фотоэлектрический эффект. Например, « Диссектор изображений » Фило Фарнсворта использовал экран, заряженный фотоэлектрическим эффектом, для преобразования оптического изображения в сканированный электронный сигнал. ^[57]

Фотоэлектронная спектроскопия

Эксперимент по фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением ( ARPES ). Гелиевая разрядная 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, энергию связи можно определить, просвечивая монохроматическим рентгеновским или ультрафиолетовым светом известной энергии и измеряя кинетические энергии фотоэлектронов. ^[19] Распределение энергий электронов имеет ценность для изучения квантовых свойств этих систем. Его также можно использовать для определения элементного состава образцов. Для твердых тел измеряется кинетическая энергия и распределение углов эмиссии фотоэлектронов 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°. ^{[ необходима цитата ]}

Измерения фотоэлектронной спектроскопии обычно проводятся в условиях высокого вакуума, поскольку электроны рассеивались бы молекулами газа, если бы они присутствовали. Однако некоторые компании теперь продают продукцию, которая позволяет производить фотоэмиссию в воздухе. Источником света может быть лазер, разрядная трубка или источник синхротронного излучения . ^[58]

Концентрический полусферический анализатор — типичный анализатор энергии электронов. Он использует электрическое поле между двумя полусферами для изменения (рассеивания) траекторий падающих электронов в зависимости от их кинетической энергии.

Приборы ночного видения

Фотоны, попадающие на тонкую пленку щелочного металла или полупроводникового материала, такого как арсенид галлия, в усилителе изображения, вызывают выброс фотоэлектронов из-за фотоэлектрического эффекта. Они ускоряются электростатическим полем , где они ударяются о покрытый фосфором экран, преобразуя электроны обратно в фотоны. Усиление сигнала достигается либо за счет ускорения электронов, либо за счет увеличения числа электронов за счет вторичной эмиссии, например, с помощью микроканальной пластины . Иногда используется комбинация обоих методов. Требуется дополнительная кинетическая энергия для перемещения электрона 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 электронное сродство, которое находится ниже уровня зоны проводимости. В этих материалах электроны, которые перемещаются в зону проводимости, имеют достаточно энергии, чтобы испускаться из материала, поэтому пленка, которая поглощает фотоны, может быть довольно толстой. Эти материалы известны как материалы с отрицательным электронным сродством. ^{[ необходима цитата ]}

Космический корабль

Фотоэлектрический эффект приведет к тому, что космический корабль, подвергающийся воздействию солнечного света, приобретет положительный заряд. Это может стать серьезной проблемой, поскольку другие части космического корабля находятся в тени, что приведет к тому, что космический корабль приобретет отрицательный заряд от близлежащей плазмы. Дисбаланс может разрядиться через чувствительные электрические компоненты. Статический заряд, созданный фотоэлектрическим эффектом, является самоограничивающим, поскольку более заряженный объект не отдает свои электроны так же легко, как объект с более низким зарядом. ^{[59] [60]}

Лунная пыль

Свет от Солнца, попадающий на лунную пыль, заставляет ее стать положительно заряженной из-за фотоэлектрического эффекта. Заряженная пыль затем отталкивается и поднимается с поверхности Луны посредством электростатической левитации . ^{[61] [62]} 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 зондами программы Surveyor в 1960-х годах, ^[63] и совсем недавно марсоход Chang'e 3 наблюдал отложение пыли на лунных камнях высотой около 28 см. ^[64] Считается, что мельчайшие частицы отталкиваются на расстоянии километров от поверхности и что частицы движутся «фонтанами», когда они заряжаются и разряжаются. ^[65]

Конкурирующие процессы и сечение фотоэмиссии

График энергий фотонов, рассчитанных для заданного элемента (атомный номер Z), при котором значение сечения для процесса справа становится больше, чем сечение для процесса слева. Для кальция (Z=20) комптоновское рассеяние начинает доминировать при hυ =0,08 МэВ и прекращается при 12 МэВ. ^[66]

Когда энергия фотонов достигает такой же величины, как энергия покоя электрона511 кэВ , может произойти еще один процесс, комптоновское рассеяние . Выше этой энергии в два раза, при1,022 МэВ , рождение пар также более вероятно. ^[67] Комптоновское рассеяние и рождение пар являются примерами двух других конкурирующих механизмов. ^{[ необходима цитата ]} Даже если фотоэлектрический эффект является предпочтительной реакцией для конкретного взаимодействия одиночного фотона со связанным электроном, результат также зависит от квантовой статистики и не гарантируется. Вероятность возникновения фотоэлектрического эффекта измеряется поперечным сечением взаимодействия, σ. Было обнаружено, что это является функцией атомного номера атома-мишени и энергии фотона. В грубом приближении для энергий фотонов выше наивысшей энергии связи атома сечение определяется как: ^[68]

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

Здесь Z — атомный номер , а n — число, которое варьируется от 4 до 5. Фотоэлектрический эффект быстро уменьшается по значимости в области гамма-излучения спектра с увеличением энергии фотонов. Он также более вероятен для элементов с высоким атомным номером. Следовательно, материалы с высоким Z являются хорошими экранами от гамма-излучения , что является основной причиной, по которой свинец ( Z  = 82) является предпочтительным и наиболее широко используемым. ^[69]

Смотрите также

• Аномальный фотоэлектрический эффект
• Комптоновское рассеяние
• эффект Дембера
• Фото–Эффект Дембера
• Корпускулярно-волновой дуализм
• Фотомагнитный эффект
• Фотохимия
• Хронология атомной и субатомной физики

Ссылки

1. 18 декабря 1926 г.: Гилберт Льюис в письме в журнал Nature впервые упоминает слово «фотон».
2. "Брошюра рентгеновских данных". xdb.lbl.gov . Получено 2020-06-20 .
3. Serway, RA (1990). Физика для ученых и инженеров (3-е изд.). Saunders . стр. 1150. ISBN 0-03-030258-7.
4. "Фотоэлектрический эффект | Физика". courses.lumenlearning.com . Получено 2024-07-08 .
5. Ленард, П. (1902). «Ueber die lichtelektrische Wirkung». Аннален дер Физик . 313 (5): 149–198. Бибкод : 1902АнП...313..149Л. дои : 10.1002/andp.19023130510.
6. Millikan, R. (1914). «Прямое определение «h». Physical Review . 4 (1): 73–75. Bibcode : 1914PhRv....4R..73M. doi : 10.1103/PhysRev.4.73.2.
7. Милликен, Р. (1916). «Прямое фотоэлектрическое определение планковского «h»». Physical Review . 7 (3): 355–388. Bibcode : 1916PhRv....7..355M. doi : 10.1103/PhysRev.7.355 .
8. "MBScientific электронные анализаторы и источники УФ-излучения".
9. "Лаборатория Scienta Omicron ARPES" ​​.
10. "Система SPECS ARPES с анализатором PHOIBOS".
11. "Лазерные системы Lumeras UV и VUV".
12. "Источники света мира". 24 августа 2017 г.
13. Gautreau, R.; Savin, W. (1999). Schaum's Outline of Modern Physics (2-е изд.). McGraw-Hill . стр. 60–61. ISBN 0-07-024830-3.
14. Чжан, Q. (1996). «Зависимость интенсивности фотоэлектрического эффекта, вызванного циркулярно поляризованным лазерным лучом». Physics Letters A. 216 ( 1–5): 125. Bibcode : 1996PhLA..216..125Z. doi : 10.1016/0375-9601(96)00259-9.
15. Бабб, Ф. (1924). «Направление выброса фотоэлектронов поляризованными рентгеновскими лучами». Physical Review . 23 (2): 137–143. Bibcode : 1924PhRv...23..137B. doi : 10.1103/PhysRev.23.137.
16. Mee, C.; Crundell, M.; Arnold, B.; Brown, W. (2011). Международный уровень A/AS Physics . Hodder Education . стр. 241. ISBN 978-0-340-94564-3.
17. Fromhold, AT (1991). Квантовая механика для прикладной физики и техники . Courier Dover Publications . стр. 5–6. ISBN 978-0-486-66741-6.
18. Берглунд, CN; Спайсер, WE (1964-11-16). "Фотоэмиссионные исследования меди и серебра: теория". Physical Review . 136 (4A): A1030–A1044. Bibcode : 1964PhRv..136.1030B. doi : 10.1103/PhysRev.136.A1030.
19. Hüfner, S. (2003). Фотоэлектронная спектроскопия: принципы и приложения . Springer . ISBN 3-540-41802-4.
20. Дамаскелли, Андреа; Шен, Чжи-Сюнь; Хуссейн, Захид (2003-04-17). «Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением купратных сверхпроводников». Reviews of Modern Physics . 75 (2): 473–541. arXiv : cond-mat/0208504 . doi : 10.1103/RevModPhys.75.473. ISSN  0034-6861. S2CID  118433150.
21. Sobota, Jonathan A.; He, Yu; Shen, Zhi-Xun (2021). "Исследования фотоэмиссии с угловым разрешением квантовых материалов". Reviews of Modern Physics . 93 (2): 025006. arXiv : 2008.02378 . Bibcode : 2021RvMP...93b5006S. doi : 10.1103/RevModPhys.93.025006. S2CID  221006368.
22. Mahan, GD (1970-12-01). "Теория фотоэмиссии в простых металлах". Physical Review B. 2 ( 11): 4334–4350. Bibcode :1970PhRvB...2.4334M. doi :10.1103/PhysRevB.2.4334.
23. Веселинка Петрова-Кох; Рудольф Хезель; Адольф Гётцбергер (2009). "Вехи преобразования солнечной энергии и фотоэлектричества". Высокоэффективная недорогая фотоэлектричество: последние разработки . Серия Springer по оптическим наукам. Т. 140. Springer. стр. 1–. doi :10.1007/978-3-540-79359-5_1. ISBN 978-3-540-79358-8. S2CID  108793685.
24. Смит, У. (1873). "Влияние света на селен при прохождении электрического тока". Nature . 7 (173): 303. Bibcode :1873Natur...7R.303.. doi : 10.1038/007303e0 .
25. Азимов, А. (1964) Биографическая энциклопедия науки и техники Азимова , Doubleday, ISBN 0-385-04693-6 . 
26. 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.
27. Герц, Генрих (1887). «Ueber einen Einfluss des Ultravioletten Lichtes auf die electricsche Entladung». Аннален дер Физик . 267 (8): 983–1000. Бибкод : 1887AnP...267..983H. дои : 10.1002/andp.18872670827.
28. Герц, Х. (1887). «Ueber sehr schnelle electricsche Schwingungen». Аннален дер Физик и Химия . 267 (7): 421–448. Бибкод : 1887AnP...267..421H. дои : 10.1002/andp.18872670707. ISSN  0003-3804.
29. Блох, Юджин (1914). «Последние достижения в электромагнетизме». Ежегодный отчет Совета регентов Смитсоновского института за 1913 год . Вашингтон, округ Колумбия: Смитсоновский институт. стр. 239. Получено 2 мая 2020 г.
30. Хальвахс, Вильгельм (1888). «Ueber den Einfluss des Lichtes auf electrostatisch geladene Körper». Аннален дер Физик . 269 ​​(2): 301–312. Бибкод : 1888AnP...269..301H. дои : 10.1002/andp.18882690206. ISSN  1521-3889.
31. Hallwachs, Вид. Энн. xxxiii. п. 301, 1888.
32. Хур, Repertorium des Physik, xxv. п. 91, 1889.
33. Биги, CR cvi. п. 1349; cvii. п. 559, 1888 г.
34. Столетов. CR резюме. стр. 1149, 1593; cvii. п. 91; cviii. п. 1241; Physikalische Revue, Bd. я., 1892.
35. • Столетов, А. (1888). «Sur une sorte de courants electrics провоцирует ультрафиолетовые лучи». Комптес Рендус . КВИ : 1149.(Перепечатано в Столетов, М.А. (1888). «О роде электрического тока, производимого ультрафиолетовыми лучами». Философский журнал . Серия 5. 26 (160): 317. doi :10.1080/14786448808628270.; аннотация в Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
    • Столетов, А. (1888). «Sur les Courants actino-electriqies au travers deTair». Комптес Рендус . ХВИ : 1593.(Реферат в Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
    • Столетов, А. (1888). «Сюита актино-электрических исследований». Комптес Рендус . CVII : 91.(Реферат в Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
    • Столетов, А. (1889). «Сюр-ле-феномены актино-электрические явления». Комптес Рендус . ВVIII : 1241.
    • Столетов, А. (1889). «Актино-электрические исследования». Журнал Российского физико-химического общества (на русском языке). 21 : 159.
    • Столетов, А. (1890). «Sur les Courants actino-électriques dans l'air raréfié». Журнал де Физический . 9 : 468. doi : 10.1051/jphystap: 018900090046800.
36. Хальвахс, В. (1907). «Über die lichtelektrische Ermüdung». Аннален дер Физик . 328 (8): 459–516. Бибкод : 1907AnP...328..459H. дои : 10.1002/andp.19073280807.
37. Шмидт, GC (1898) Вид. Энн. Уив. п. 708.
38. Кноблаух, О. (1899). Zeitschrift für Physikalische Chemie . Том. XXIX. п. 527.
39. Международный ежегодник . (1900). Нью-Йорк: Dodd, Mead & Company. С. 659.
40. Истории электрона: рождение микрофизики . Бухвальд, Джед З., Уорик, Эндрю. Кембридж, Массачусетс: MIT Press. 2001. ISBN 978-0-262-26948-3. OCLC  62183406.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
41. Уитон, Брюс Р. (1978). «Филипп Ленард и фотоэлектрический эффект, 1889-1911». Исторические исследования в области физических наук . 9 : 299–322. doi :10.2307/27757381. JSTOR  27757381.
42. Блох, Э. (1908). «Ионизация воздуха ультрафиолетовым светом». Ле Радий . 5 (8): 240. doi :10.1051/radium:0190800508024001.
43. Томсон, Дж. Дж. (1907). «Об ионизации газов ультрафиолетовым светом и о доказательствах относительно структуры света, полученных с помощью его электрических эффектов». Proc. Camb. Phil. Soc . 14 : 417.
44. Палмер, Фредерик (1908). «Ионизация воздуха ультрафиолетовым светом». Nature . 77 (2008): 582. Bibcode :1908Natur..77..582P. doi : 10.1038/077582b0 . S2CID  4028617.
45. Палмер, Фредерик (1911). «Объемная ионизация, произведенная светом чрезвычайно короткой длины волны». Physical Review . Серия I. 32 (1): 1–22. Bibcode : 1911PhRvI..32....1P. doi : 10.1103/PhysRevSeriesI.32.1.
46. Планк, Макс (1901). «Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum (О законе распределения энергии в нормальном спектре)». Аннален дер Физик . 4 (3): 553. Бибкод : 1901АнП...309..553П. дои : 10.1002/andp.19013090310 .
47. Холтон, Джеральд (1999-04-22). "Centennial Focus: Millikan's Measurement of Planck's Constant". Physics . 3 : 23. doi :10.1103/physrevfocus.3.23.
48. "Нобелевская премия по физике 1921 года". Нобелевский фонд . Получено 2008-10-09 .
49. "Нобелевская премия по физике 1923 года". Нобелевский фонд . Получено 29.03.2015 .
50. Лэмб, Уиллис Э. младший ; Скалли, Марлан О. (1968). "Фотоэлектрический эффект без фотонов" (PDF) . Корал-Гейблс, Флорида: Центр теоретической физики, Университет Майами. мы понимаем фотоэффект как результат классического поля, падающего на квантованный атомный электрон
51. Эйнштейн, А. «Об одной эвристической точке зрения относительно излучения и преобразования света». Annalen der Physik 17 (1905)
52. Резник, Роберт (1972) Основные концепции теории относительности и ранней квантовой теории , Wiley, стр. 137, ISBN 0-471-71702-9 . 
53. Knight, Randall D. (2004) Физика для ученых и инженеров с современной физикой: стратегический подход , Pearson-Addison-Wesley, стр. 1224, ISBN 0-8053-8685-8 . 
54. Пенроуз, Роджер (2005) Дорога к реальности: Полное руководство по законам Вселенной , Кнопф, стр. 502, ISBN 0-679-45443-8 
55. Резник, Роберт (1972) Основные концепции теории относительности и ранней квантовой теории , Wiley, стр. 138, ISBN 0-471-71702-9 . 
56. Тимоти, Дж. Гетин (2010) в Huber, Martin CE (ред.) Наблюдение фотонов в космосе , ISSI Scientific Report 009, ESA Communications, стр. 365–408, ISBN 978-92-9221-938-3 
57. Бернс, Р. В. (1998) Телевидение: международная история становления , IET, стр. 358, ISBN 0-85296-914-7 . 
58. Weaver, JH; Margaritondo, G. (1979). "Твердотельная фотоэлектронная спектроскопия с синхротронным излучением". Science . 206 (4415): 151–156. Bibcode :1979Sci...206..151W. doi :10.1126/science.206.4415.151. PMID  17801770. S2CID  23594185.
59. Лай, Шу Т. (2011). Основы зарядки космических аппаратов: взаимодействие космических аппаратов с космической плазмой (иллюстрированное издание). Princeton University Press. стр. 1–6. ISBN 978-0-691-12947-1.
60. "Зарядка космического корабля". Университет штата Аризона .
61. Белл, Труди Э., «Лунные фонтаны», NASA.gov, 2005-03-30.
62. Пыль получает заряд в вакууме. spacedaily.com, 14 июля 2000 г.
63. Criswell DR (1973). «Свечение горизонта и движение лунной пыли». В RJL Grard (ред.). Взаимодействие фотонов и частиц с поверхностями в космосе . 6-й симпозиум Eslab. Нордвейк, Нидерланды: Springer, Dordrecht. doi :10.1007/978-94-010-2647-5_36.
64. Yan Q.; Zhang X.; Xie L.; Guo D.; Li Y.; Xu Y.; Xiao Z.; Di K.; Xiao L. (2019). «Слабая пылевая активность вблизи геологически молодой поверхности, выявленная миссией Chang'E-3». Geophysical Research Letters . 46 (16): 9405–9413. Bibcode : 2019GeoRL..46.9405Y. doi : 10.1029/2019GL083611 .
65. Тимоти Дж. Стаббс; Ричард Р. Вондрак; Уильям М. Фаррелл (2006). «Динамическая модель фонтана для лунной пыли». Advances in Space Research . 37 (1): 59–66. Bibcode : 2006AdSpR..37...59S. doi : 10.1016/j.asr.2005.04.048. hdl : 2060/20050175993 . S2CID  56226020.
66. "XCOM: База данных сечений фотонов". NIST . 2009-09-17.
67. Эванс, РД (1955). Атомное ядро. Малабар, Флорида: Кригер. стр. 712. ISBN 0-89874-414-8.
68. Davisson, CM (1965). «Взаимодействие гамма-излучения с веществом». В Kai Siegbahn (ред.). Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия: том 1. Том 1. Амстердам: North-Holland Publishing Company. стр. 37–78. Bibcode : 1965abgs.conf...37D.
69. Knoll, Glenn F. (1999). Обнаружение и измерение радиации. Нью-Йорк: Wiley. стр. 49. ISBN 0-471-49545-X.

Внешние ссылки

• Astronomy Cast "http://www.astronomycast.com/2014/02/ep-335-photoelectric-effect/". AstronomyCast.
• Наве, Р., « Корпусно-волновой дуализм ». Гиперфизика.
• " Фотоэлектрический эффект ". Физика 2000. Университет Колорадо, Боулдер, Колорадо. (страница не найдена)
• Группа ACEPT W3, « Фотоэлектрический эффект ». Кафедра физики и астрономии, Университет штата Аризона, Темпе, Аризона.
• Хаберкерн, Томас и Н. Дипак « Зерна мистики: квантовая физика для неспециалистов ». Эйнштейн развенчивает мифы о фотоэлектрическом эффекте, Глава 3.
• Физический факультет, " Фотоэлектрический эффект. Архивировано 01.08.2009 в Wayback Machine ". Лаборатория физики 320, колледж Дэвидсона, Дэвидсон.
• Фаулер, Майкл, « Фотоэлектрический эффект ». Физика 252, Университет Вирджинии.
• Перейдите на страницу « О эвристической точке зрения на излучение и преобразование света », чтобы прочитать английский перевод статьи Эйнштейна 1905 года. (Дата получения: 2014 апреля 11)
• http://www.chemistryexplained.com/Ru-Sp/Solar-Cells.html
• Фотоэлектрические преобразователи: http://sensorse.com/page4en.html

Апплеты

• « HTML 5 JavaScript симулятор » Проект физики с открытым исходным кодом
• " Фотоэлектрический эффект ". Проект технологии физического образования (PhET). (Java)
• Фендт, Вальтер, « Фотоэлектрический эффект ». (Java)
• " Апплет: Фотоэффект Архивировано 2010-03-14 на Wayback Machine ". Распределенная система управления и оценки учебного контента с открытым исходным кодом. ( Java )