Fotoelektronové záření — fyzikální význam, zákony a aplikace
Fenomén emise fotoelektronů (neboli vnější fotoelektrický jev) objevil experimentálně v roce 1887 Heinrich Hertz během experimentu s otevřenou dutinou. Když Hertz nasměroval ultrafialové záření na zinkové jiskry, průchod elektrické jiskry jimi byl zároveň znatelně snazší.
Tím pádem, fotoelektronovým zářením lze nazvat proces emise elektronů ve vakuu (nebo v jiném prostředí) z pevných nebo kapalných těles pod vlivem elektromagnetického záření, které na ně dopadá. Nejvýznamnější v praxi je emise fotoelektronů z pevných těles — ve vakuu.
1. Elektromagnetické záření s konstantním spektrálním složením dopadající na fotokatodu způsobí nasycený fotoproud I, jehož hodnota je úměrná ozáření katody, to znamená, že počet fotoelektronů vyřazených (emitovaných) za 1 sekundu je úměrný intenzita dopadajícího záření F.
2.Pro každou látku v souladu s její chemickou podstatou a s určitým stavem jejího povrchu, které určují pracovní funkci Ф elektronů z dané látky, existuje dlouhovlnná (červená) mez fotoelektronového záření, tzn. , minimální frekvence v0, pod kterou je fotoelektrický jev nemožný.
3. Maximální počáteční rychlost fotoelektronů je dána frekvencí dopadajícího záření a nezávisí na jeho intenzitě. Jinými slovy, maximální kinetická energie fotoelektronů roste lineárně s rostoucí frekvencí dopadajícího záření a nezávisí na intenzitě tohoto záření.
Zákony vnějšího fotoelektrického jevu by byly v zásadě striktně splněny pouze při absolutní nulové teplotě, zatímco ve skutečnosti při T > 0 K je emise fotoelektronu pozorována také na vlnových délkách delších, než je mezní vlnová délka, i když s malým počtem emitující elektrony. Při extrémně vysoké intenzitě dopadajícího záření (více než 1 W / cm 2 ) jsou tyto zákony také porušeny, protože závažnost multifotonových procesů je zřejmá a významná.
Fyzikálně jsou fenoménem fotoelektronové emise tři po sobě jdoucí procesy.
Nejprve je dopadající foton absorbován látkou, v důsledku čehož se uvnitř látky objeví elektron s energií vyšší, než je průměr v celém objemu. Tento elektron se pohybuje k povrchu tělesa a cestou se část jeho energie rozptýlí, protože cestou takový elektron interaguje s ostatními elektrony a vibracemi krystalové mřížky. Nakonec elektron vstoupí do vakua nebo jiného média mimo tělo a prochází potenciálovou bariérou na hranici mezi těmito dvěma médii.
Jak je pro kovy typické, ve viditelné a ultrafialové části spektra jsou fotony pohlcovány vodivostními elektrony. U polovodičů a dielektrik jsou elektrony excitovány z valenčního pásma. V každém případě je kvantitativní charakteristikou emise fotoelektronů kvantový výtěžek — Y — počet elektronů emitovaných na dopadající foton.
Kvantový výtěžek závisí na vlastnostech látky, na stavu jejího povrchu a také na energii dopadajících fotonů.
U kovů je dlouhovlnná mez emise fotoelektronů určena pracovní funkcí elektronu z jejich povrchu Většina čistých povrchových kovů má pracovní funkci nad 3 eV, zatímco alkalické kovy mají pracovní funkci 2 až 3 eV.
Z tohoto důvodu lze fotoelektronovou emisi z povrchu alkalických kovů a kovů alkalických zemin pozorovat i při ozařování fotony ve viditelné oblasti spektra, nejen UV. Zatímco u běžných kovů je emise fotoelektronů možná pouze od UV frekvencí.
Toho se využívá ke snížení pracovní funkce kovu: na obyčejný kov se nanese film (monoatomární vrstva) alkalických kovů a kovů alkalických zemin a tím se posune červená mez emise fotoelektronů do oblasti delších vln.
Kvantový výtěžek Y charakteristický pro kovy v oblasti blízké UV záření a viditelné oblasti je řádově menší než 0,001 elektron/foton, protože hloubka úniku fotoelektronu je malá ve srovnání s hloubkou absorpce světla kovu.Lví podíl fotoelektronů rozptýlí svou energii ještě předtím, než se přiblíží k výstupní hranici kovu, čímž ztratí jakoukoli šanci na únik.
Pokud je energie fotonu blízká prahu fotoemise, pak většina elektronů bude excitována při energiích pod úrovní vakua a nebudou přispívat k fotoemisnímu proudu. Navíc koeficient odrazu v blízké UV a viditelné oblasti je pro kovy příliš vysoký, takže kov vůbec pohltí jen velmi malý zlomek záření. Ve vzdálené UV oblasti se tyto limity snižují a Y dosahuje 0,01 elektron/foton při energiích fotonů nad 10 eV.
Obrázek ukazuje spektrální závislost kvantového výtěžku fotoemise pro povrch čisté mědi:
Kontaminace kovového povrchu snižuje fotoproud a posouvá červený limit do oblasti delší vlnové délky; současně se pro vzdálenou UV oblast za těchto podmínek může Y zvýšit.
Fotoelektronové záření nachází uplatnění ve fotoelektronických zařízeních, která převádějí elektromagnetické signály různého rozsahu na elektrické proudy a napětí. Například obraz v neviditelných infračervených signálech lze převést na viditelný pomocí zařízení, které funguje na bázi jevu fotoelektronové emise. Funguje i fotoelektronové záření ve fotobuňkách, v různých elektronicko-optických převodnících, ve fotonásobičích, fotorezistorech, fotodiodách, v elektronkách s elektronovým paprskem atd.
Viz také:Jak funguje proces přeměny sluneční energie na elektrickou energii