Bức xạ quang điện tử - ý nghĩa vật lý, định luật và ứng dụng
Hiện tượng phát xạ quang điện tử (hay hiệu ứng quang điện ngoài) được Heinrich Hertz phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 1887 trong một thí nghiệm khoang hở. Khi Hertz hướng bức xạ cực tím vào tia lửa kẽm, đồng thời tia lửa điện đi qua chúng dễ dàng hơn rõ rệt.
Như vậy, Bức xạ quang điện tử có thể được gọi là quá trình phát xạ của các electron trong chân không (hoặc trong môi trường khác) từ các chất rắn hoặc chất lỏng dưới tác động của bức xạ điện từ chiếu vào chúng. Điều quan trọng nhất trong thực tế là sự phát xạ quang điện tử từ các vật thể rắn - trong chân không.
1. Bức xạ điện từ có thành phần quang phổ không đổi chiếu vào catốt quang điện gây ra dòng quang điện bão hòa I, giá trị của dòng điện này tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ của catốt, nghĩa là số quang điện tử bị bật ra (phát ra) trong 1 giây tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ tới F.
2.Đối với mỗi chất, phù hợp với bản chất hóa học của nó và với một trạng thái nhất định trên bề mặt của nó, xác định chức năng công việc Ф của các electron từ một chất nhất định, có một giới hạn bức xạ quang điện tử bước sóng dài (màu đỏ), tức là , tần số v0 nhỏ nhất mà dưới đó không thể xảy ra hiện tượng quang điện.
3. Tốc độ ban đầu cực đại của các quang điện tử được xác định bởi tần số của bức xạ tới và không phụ thuộc vào cường độ của nó. Nói cách khác, động năng cực đại của các quang điện tử tăng tuyến tính với sự tăng tần số của bức xạ tới và không phụ thuộc vào cường độ của bức xạ này.
Các định luật về hiệu ứng quang điện ngoài về nguyên tắc chỉ được thỏa mãn nghiêm ngặt ở nhiệt độ không tuyệt đối, trong khi trên thực tế, ở T > 0 K, sự phát xạ quang điện tử cũng được quan sát thấy ở các bước sóng dài hơn bước sóng giới hạn, mặc dù với một số lượng nhỏ phát ra êlectron. Ở cường độ bức xạ tới cực cao (hơn 1 W / cm 2 ), các định luật này cũng bị vi phạm, vì mức độ nghiêm trọng của các quá trình đa photon trở nên rõ ràng và đáng kể.
Về mặt vật lý, hiện tượng phát xạ quang điện tử là ba quá trình liên tiếp.
Đầu tiên, photon tới được chất hấp thụ, do đó một electron có năng lượng cao hơn mức trung bình trên thể tích xuất hiện bên trong chất. Electron này di chuyển đến bề mặt của cơ thể và trên đường đi, một phần năng lượng của nó bị tiêu tán, bởi vì trên đường đi, một electron như vậy tương tác với các electron khác và các dao động của mạng tinh thể. Cuối cùng, electron đi vào chân không hoặc môi trường khác bên ngoài cơ thể, đi qua một hàng rào tiềm năng ở ranh giới giữa hai môi trường này.
Như là đặc trưng của kim loại, trong phần nhìn thấy và tử ngoại của quang phổ, các photon được hấp thụ bởi các electron dẫn. Đối với chất bán dẫn và chất điện môi, các electron bị kích thích từ vùng hóa trị. Trong mọi trường hợp, một đặc tính định lượng của sự phát xạ quang điện tử là năng suất lượng tử — Y — số lượng electron phát ra trên mỗi photon tới.
Năng suất lượng tử phụ thuộc vào tính chất của chất, vào trạng thái bề mặt của nó, cũng như năng lượng của các photon tới.
Trong kim loại, giới hạn phát xạ quang điện tử ở bước sóng dài được xác định bởi công của electron từ bề mặt của chúng. Hầu hết các kim loại có bề mặt sạch sẽ có công trên 3 eV, trong khi kim loại kiềm có công từ 2 đến 3 eV.
Vì lý do này, có thể quan sát thấy sự phát xạ quang điện tử từ bề mặt của kim loại kiềm và kiềm thổ ngay cả khi được chiếu xạ bằng các photon trong vùng khả kiến của quang phổ, không chỉ UV. Trong khi ở kim loại thông thường, sự phát xạ quang điện tử chỉ có thể bắt đầu từ tần số UV.
Điều này được sử dụng để giảm chức năng hoạt động của kim loại: một màng (lớp đơn nguyên tử) của kim loại kiềm và kiềm thổ được lắng đọng trên một kim loại thông thường và do đó, giới hạn phát xạ quang điện tử màu đỏ được chuyển sang vùng có sóng dài hơn.
Năng suất lượng tử Đặc trưng Y của các kim loại ở vùng gần tia cực tím và khả kiến là ở mức nhỏ hơn 0,001 electron/photon vì độ sâu rò rỉ quang điện tử nhỏ so với độ sâu hấp thụ ánh sáng của kim loại.Phần lớn các quang điện tử làm tiêu tan năng lượng của chúng trước khi tiếp cận ranh giới thoát ra của kim loại, làm mất mọi cơ hội thoát ra.
Nếu năng lượng photon gần với ngưỡng quang phát, thì hầu hết các electron sẽ bị kích thích ở năng lượng dưới mức chân không và chúng sẽ không đóng góp vào dòng quang phát. Ngoài ra, hệ số phản xạ ở vùng tia cực tím gần và vùng khả kiến là quá cao đối với kim loại, vì vậy chỉ một phần rất nhỏ bức xạ sẽ được kim loại hấp thụ. Ở vùng cực tím xa, các giới hạn này giảm và Y đạt 0,01 electron/photon ở năng lượng photon trên 10 eV.
Hình vẽ cho thấy sự phụ thuộc quang phổ của năng suất lượng tử quang phát xạ đối với bề mặt đồng nguyên chất:
Sự nhiễm bẩn bề mặt kim loại làm giảm quang điện và dịch chuyển giới hạn đỏ sang vùng bước sóng dài hơn; đồng thời, đối với vùng UV xa trong những điều kiện này, Y có thể tăng lên.
Bức xạ quang điện tử tìm thấy ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử chuyển đổi tín hiệu điện từ thuộc các dải khác nhau thành dòng điện và điện áp. Ví dụ, một hình ảnh trong tín hiệu hồng ngoại vô hình có thể được chuyển đổi thành hình ảnh nhìn thấy được bằng cách sử dụng một thiết bị hoạt động trên cơ sở hiện tượng phát xạ quang điện tử. Bức xạ quang điện tử cũng hoạt động trong tế bào quang điện, trong các bộ chuyển đổi quang điện tử khác nhau, trong bộ nhân quang, điện trở quang, điốt quang, trong ống chùm tia điện tử, v.v.
Xem thêm:Quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện hoạt động như thế nào