Radiazione fotoelettronica: significato fisico, leggi e applicazioni
Il fenomeno dell'emissione di fotoelettroni (o effetto fotoelettrico esterno) fu scoperto sperimentalmente nel 1887 da Heinrich Hertz durante un esperimento a cavità aperta. Quando Hertz dirigeva la radiazione ultravioletta sulle scintille di zinco, allo stesso tempo il passaggio di una scintilla elettrica attraverso di esse era notevolmente più facile.
Così, la radiazione fotoelettronica può essere chiamata il processo di emissione di elettroni nel vuoto (o in un altro mezzo) da corpi solidi o liquidi sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica che cade su di essi. Il più significativo in pratica è l'emissione di fotoelettroni da corpi solidi - nel vuoto.
1. La radiazione elettromagnetica con una composizione spettrale costante che cade sul fotocatodo provoca una fotocorrente satura I, il cui valore è proporzionale all'irradiazione del catodo, ovvero il numero di fotoelettroni eliminati (emessi) in 1 secondo è proporzionale a l'intensità della radiazione incidente F.
2.Per ogni sostanza, in accordo con la sua natura chimica e con un certo stato della sua superficie, che determinano la funzione di lavoro Ф degli elettroni di una data sostanza, esiste un limite a onde lunghe (rosso) della radiazione fotoelettronica, cioè , la frequenza minima v0 al di sotto della quale l'effetto fotoelettrico è impossibile.
3. La massima velocità iniziale dei fotoelettroni è determinata dalla frequenza della radiazione incidente e non dipende dalla sua intensità. In altre parole, l'energia cinetica massima dei fotoelettroni aumenta linearmente con l'aumentare della frequenza della radiazione incidente e non dipende dall'intensità di questa radiazione.
Le leggi dell'effetto fotoelettrico esterno sarebbero in linea di principio rigorosamente soddisfatte solo alla temperatura dello zero assoluto, mentre infatti, a T > 0 K, l'emissione di fotoelettroni si osserva anche a lunghezze d'onda maggiori della lunghezza d'onda di taglio, seppure con un piccolo numero di emissione di elettroni. A un'intensità estremamente elevata di radiazione incidente (più di 1 W / cm 2 ), anche queste leggi vengono violate, poiché la gravità dei processi multifotone diventa ovvia e significativa.
Fisicamente, il fenomeno dell'emissione di fotoelettroni è costituito da tre processi consecutivi.
Innanzitutto, il fotone incidente viene assorbito dalla sostanza, a seguito della quale un elettrone con energia superiore alla media sul volume appare all'interno della sostanza. Questo elettrone si sposta sulla superficie del corpo e lungo il percorso parte della sua energia viene dissipata, perché lungo il percorso un tale elettrone interagisce con altri elettroni e vibrazioni del reticolo cristallino. Infine, l'elettrone entra nel vuoto o in un altro mezzo al di fuori del corpo, passando attraverso una potenziale barriera al confine tra questi due mezzi.
Come è tipico per i metalli, nelle parti visibili e ultraviolette dello spettro, i fotoni vengono assorbiti dagli elettroni di conduzione. Per semiconduttori e dielettrici, gli elettroni sono eccitati dalla banda di valenza. In ogni caso, una caratteristica quantitativa dell'emissione di fotoelettroni è la resa quantica — Y — il numero di elettroni emessi per fotone incidente.
La resa quantica dipende dalle proprietà della sostanza, dallo stato della sua superficie, nonché dall'energia dei fotoni incidenti.
Nei metalli, il limite di lunghezza d'onda lunga dell'emissione di fotoelettroni è determinato dalla funzione di lavoro dell'elettrone dalla loro superficie.La maggior parte dei metalli superficiali puliti ha una funzione di lavoro superiore a 3 eV, mentre i metalli alcalini hanno una funzione di lavoro da 2 a 3 eV.
Per questo motivo, l'emissione di fotoelettroni dalla superficie di metalli alcalini e alcalino-terrosi può essere osservata anche quando irradiata con fotoni nella regione visibile dello spettro, non solo UV. Mentre nei metalli ordinari l'emissione di fotoelettroni è possibile solo a partire dalle frequenze UV.
Questo viene utilizzato per ridurre la funzione lavoro del metallo: un film (strato monoatomico) di metalli alcalini e alcalino terrosi viene depositato su un metallo ordinario e quindi il limite rosso dell'emissione di fotoelettroni viene spostato nella regione delle onde più lunghe.
La resa quantica Y caratteristica dei metalli nelle regioni del vicino UV e del visibile è dell'ordine di meno di 0,001 elettrone/fotone perché la profondità di dispersione del fotoelettrone è piccola rispetto alla profondità di assorbimento della luce del metallo.La maggior parte dei fotoelettroni dissipa la propria energia prima ancora di avvicinarsi al confine di uscita del metallo, perdendo ogni possibilità di uscita.
Se l'energia del fotone è vicina alla soglia di fotoemissione, la maggior parte degli elettroni sarà eccitata a energie inferiori al livello del vuoto e non contribuirà alla corrente di fotoemissione. Inoltre, il coefficiente di riflessione nel vicino UV e nelle regioni visibili è troppo alto per i metalli, quindi solo una piccolissima frazione della radiazione sarà assorbita dal metallo. Nella regione del lontano UV questi limiti diminuiscono e Y raggiunge 0,01 elettrone/fotone a energie fotoniche superiori a 10 eV.
La figura mostra la dipendenza spettrale della resa quantica della fotoemissione per una superficie di rame puro:
La contaminazione della superficie metallica riduce la fotocorrente e sposta il limite del rosso nella regione della lunghezza d'onda maggiore; allo stesso tempo, per la regione del lontano UV in queste condizioni, Y può aumentare.
La radiazione fotoelettronica trova applicazione nei dispositivi fotoelettronici che convertono i segnali elettromagnetici di varie gamme in correnti e tensioni elettriche. Ad esempio, un'immagine in segnali infrarossi invisibili può essere convertita in visibile utilizzando un dispositivo che funziona sulla base del fenomeno dell'emissione di fotoelettroni. Anche la radiazione fotoelettronica funziona nelle fotocellule, in vari convertitori elettronico-ottici, in fotomoltiplicatori, fotoresistenze, fotodiodi, in tubi a fascio di elettroni, ecc.
Guarda anche:Come funziona il processo di conversione dell'energia solare in energia elettrica