รังสีโฟโตอิเล็กตรอน -- ความหมายทางกายภาพ กฎหมาย และการประยุกต์ใช้

ปรากฏการณ์ของการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอน (หรือเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจากภายนอก) ถูกค้นพบโดยการทดลองในปี พ.ศ. 2430 โดยไฮน์ริช เฮิรตซ์ ระหว่างการทดลองในช่องเปิด เมื่อเฮิรตซ์ส่งรังสีอัลตราไวโอเลตไปที่ประกายไฟของสังกะสี ในเวลาเดียวกันการผ่านของประกายไฟฟ้าผ่านพวกมันก็ง่ายขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

ดังนั้น, รังสีโฟโตอิเล็กตรอนสามารถเรียกได้ว่าเป็นกระบวนการปล่อยอิเล็กตรอนในสุญญากาศ (หรือในตัวกลางอื่น) จากวัตถุที่เป็นของแข็งหรือของเหลวภายใต้อิทธิพลของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกลงมา สิ่งที่สำคัญที่สุดในทางปฏิบัติคือการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนจากวัตถุที่เป็นของแข็งในสุญญากาศ

มีกฎสามข้อของการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนหรือเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจากภายนอก:

1. การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีองค์ประกอบสเปกตรัมคงที่ตกลงบนโฟโตแคโทดทำให้เกิดโฟโตปัจจุบัน I ที่อิ่มตัว ซึ่งค่านี้เป็นสัดส่วนกับการฉายรังสีของแคโทด นั่นคือ จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา (ปล่อยออกมา) ใน 1 วินาทีเป็นสัดส่วนกับ ความเข้มของรังสีตกกระทบ F

2.สำหรับสารแต่ละชนิด ตามลักษณะทางเคมีและสถานะของพื้นผิวที่กำหนดฟังก์ชันการทำงานของ Ф ของอิเล็กตรอนจากสารที่กำหนด จะมีการจำกัดรังสีโฟโตอิเล็กตรอนแบบคลื่นยาว (สีแดง) เช่น , ความถี่ต่ำสุด v0 ต่ำกว่าซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก

3. ความเร็วเริ่มต้นสูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนถูกกำหนดโดยความถี่ของรังสีที่ตกกระทบและไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของมัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามความถี่ที่เพิ่มขึ้นของรังสีที่ตกกระทบ และไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของรังสีนี้

โดยหลักการแล้ว กฎของโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ภายนอกจะเป็นที่พึงพอใจอย่างเคร่งครัดที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น ในขณะที่ในความเป็นจริง ที่ T > 0 K การปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนยังสังเกตได้ที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่าความยาวคลื่นที่ตัดออก แม้ว่าจะมีจำนวนน้อยก็ตาม ปล่อยอิเล็กตรอน ที่ความเข้มของรังสีที่ตกกระทบสูงมาก (มากกว่า 1 W / cm 2 ) กฎเหล่านี้จะถูกละเมิดเช่นกัน เนื่องจากความรุนแรงของกระบวนการมัลติโฟตอนจะชัดเจนและมีนัยสำคัญ

ในทางกายภาพ ปรากฏการณ์ของการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนเป็นกระบวนการต่อเนื่องกันสามกระบวนการ

ประการแรก โฟตอนที่ตกกระทบถูกดูดซับโดยสาร ซึ่งส่งผลให้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงกว่าค่าเฉลี่ยในปริมาตรปรากฏขึ้นภายในสาร อิเล็กตรอนนี้เคลื่อนที่ไปที่พื้นผิวของร่างกายและระหว่างทางพลังงานส่วนหนึ่งของมันจะกระจายไป เนื่องจากระหว่างทางที่อิเล็กตรอนดังกล่าวทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนอื่น ๆ และการสั่นสะเทือนของโครงตาข่ายคริสตัล ในที่สุด อิเล็กตรอนจะเข้าสู่สุญญากาศหรือตัวกลางอื่นๆ ภายนอกร่างกาย โดยผ่านสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นที่รอยต่อระหว่างตัวกลางทั้งสองนี้

ตามปกติสำหรับโลหะ ในส่วนที่มองเห็นได้และรังสีอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม โฟตอนจะถูกดูดกลืนโดยอิเล็กตรอนนำไฟฟ้า สำหรับสารกึ่งตัวนำและไดอิเล็กตริก อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นจากแถบวาเลนซ์ ไม่ว่าในกรณีใด คุณลักษณะเชิงปริมาณของการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนคือผลผลิตควอนตัม — Y — จำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาต่อโฟตอนที่ตกกระทบ

ผลผลิตควอนตัมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสาร สถานะของพื้นผิว เช่นเดียวกับพลังงานของโฟตอนที่ตกกระทบ

ในโลหะ ขีดจำกัดความยาวคลื่นยาวของการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนถูกกำหนดโดยฟังก์ชันการทำงานของอิเล็กตรอนจากพื้นผิว โลหะผิวสะอาด ส่วนใหญ่มีฟังก์ชันการทำงานสูงกว่า 3 eV ในขณะที่โลหะอัลคาไลมีฟังก์ชันการทำงาน 2 ถึง 3 eV

ด้วยเหตุผลนี้ จึงสามารถสังเกตเห็นการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ธได้แม้ในขณะที่ฉายรังสีด้วยโฟตอนในบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม ไม่ใช่แค่รังสียูวีเท่านั้น ในขณะที่โลหะธรรมดา การปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนสามารถทำได้โดยเริ่มจากความถี่ยูวีเท่านั้น

สิ่งนี้ใช้เพื่อลดฟังก์ชันการทำงานของโลหะ: ฟิล์ม (ชั้นโมโนอะตอมมิก) ของโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทจะเกาะอยู่บนโลหะธรรมดา ดังนั้นขีดจำกัดสีแดงของการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนจึงเลื่อนไปยังบริเวณที่มีคลื่นยาวกว่า

ลักษณะควอนตัม Y Y ของโลหะในบริเวณใกล้รังสียูวีและบริเวณที่มองเห็นมีค่าน้อยกว่า 0.001 อิเล็กตรอน/โฟตอน เนื่องจากความลึกของการรั่วไหลของโฟโตอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความลึกในการดูดกลืนแสงของโลหะโฟโตอิเล็กตรอนที่มีส่วนแบ่งของสิงโตจะสลายพลังงานก่อนที่จะเข้าใกล้ขอบเขตทางออกของโลหะ ทำให้เสียโอกาสในการออก

หากพลังงานโฟตอนใกล้เคียงกับเกณฑ์การแผ่รังสีของแสง อิเล็กตรอนส่วนใหญ่จะตื่นเต้นกับพลังงานที่ต่ำกว่าระดับสุญญากาศ และจะไม่ก่อให้เกิดกระแสการแผ่รังสีของแสง นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนในบริเวณใกล้รังสียูวีและบริเวณที่มองเห็นได้สูงเกินไปสำหรับโลหะ ดังนั้นโลหะจะดูดซับรังสีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ในย่าน UV ที่ห่างไกล ขีดจำกัดเหล่านี้จะลดลงและ Y ถึง 0.01 อิเล็กตรอน/โฟตอนที่พลังงานโฟตอนที่สูงกว่า 10 eV

รูปแสดงการพึ่งพาทางสเปกตรัมของผลผลิตควอนตัมการปล่อยแสงสำหรับพื้นผิวทองแดงบริสุทธิ์:

การปนเปื้อนของพื้นผิวโลหะจะลดกระแสแสงและเลื่อนขีดจำกัดสีแดงไปยังบริเวณความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ในเวลาเดียวกัน สำหรับพื้นที่ UV ที่ห่างไกลภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ค่า Y อาจเพิ่มขึ้น

รังสีโฟโตอิเล็กตรอนพบการใช้งานในอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลงสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงต่างๆ ให้เป็นกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ภาพในสัญญาณอินฟราเรดที่มองไม่เห็นสามารถแปลงเป็นภาพที่มองเห็นได้โดยใช้อุปกรณ์ที่ทำงานบนพื้นฐานของปรากฏการณ์การปล่อยโฟโตอิเล็กตรอน รังสีโฟโตอิเล็กตรอนก็ทำงานเช่นกัน ในโฟโตเซลล์ในตัวแปลงอิเล็คทรอนิกส์ออปติคัลต่างๆ ในโฟโตมัลติพลายเออร์ โฟโตรีซิสเตอร์ โฟโตไดโอด ในหลอดลำแสงอิเล็กตรอน เป็นต้น

ดูสิ่งนี้ด้วย:กระบวนการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าทำงานอย่างไร