Какви са фотоелектроните?

Какво са фотоелектрони?

Определение на фотоелектроните

Фотоелектрон е електрон, излъчван от материал, когато той поглъща светлинна енергия. Този процес на излъчване се нарича фотоелектричен ефект и предоставя ключови доказателства за квантната природа на светлината и веществото. Тази статия ще обясни какво са фотоелектроните, как се произвеждат, факторите, влияещи върху техните излъчвания, и техните приложения в науката и технологията.

Фотоелектричен ефект

Фотоелектричният ефект е процес, при който електроните се излъчват от материал, когато той е изложен на светлина с достатъчна честота или енергия. Материалът може да бъде метал, полупроводник или всякакъв материал със свободни или слабо свързани повърхностни електрони. Светлината може да бъде видима, ултравиолетова или рентгенова, в зависимост от работната функция на материала.

Работната функция е дефинирана като минималната енергия, необходима за премахване на електрон от повърхността на материала. Измерена в електрон-волти (eV), тази единица на енергия представлява енергията, която електрон придобива, когато се движи през потенциална разлика от един волт. Работната функция варира в зависимост от типа и състоянието на материала, типично в интервал от 2 до 6 eV за метали.

Когато светлината с честота f или дължина на вълната λ удари повърхността на материала, всеки фотон (или квант светлина) носи енергия E, зададена от

E=hf=λhc

където h е константата на Планк (6.626 x 10^-34 J s), а c е скоростта на светлината (3 x 10^8 m/s). Ако енергията на фотона E е по-голяма или равна на работната функция W на материала, то фотонът може да прехвърли своята енергия на електрон на повърхността, и електронът може да избяга от материала с някаква кинетична енергия K, зададена от

K=E−W=hf−W

Електроните, които се излъчват по този начин, се наричат фотоелектрони, и те формират фотоелектрически ток, който може да бъде измерен, като се свърже материала към външна верига.

Работна функция

Работната функция е минималната енергия, необходима за премахване на електрон от материал, влияещ на излъчването на фотоелектрони.

Моментално излъчване

Излъчването на фотоелектрони е моментално и зависи от честотата на светлината, а не от интензивността й.

Приложения

Фотоелектрични клетки или солнечни клетки: Това са устройства, които преобразуват светлинна енергия в електрическа енергия, използвайки фотоелектричния ефект. Те се състоят от полупроводников материал (като силиций), който поглъща фотони и излъчва фотоелектрони, които се събират от електроди и формират електрически ток.

Фотомултипликаторни тръби: Това са устройства, които увеличават слаби светлинни сигнали, използвайки серия от електроди, които излъчват вторични електрони, когато са ударили от фотоелектрони. Те се използват в детектори за радиация, спектроскопия, астрономия и медицинска визуализация.

Фотоелектронна спектроскопия:

Това е техника, която използва фотоелектрони за анализ на химическия състав и електронната структура на материали. Тя включва осветяване на проба с лъч от фотони (като рентгенови или УВ лъчи) и измерване на кинетичната енергия и ъгловото разпределение на излъчваните фотоелектрони. Чрез използването на принципа за запазване на енергията, може да се изчисли вързаната енергия на фотоелектроните, която отразява енергийните нива на атомите и молекулите в пробата. Фотоелектронната спектроскопия може да предостави информация за валентните и ядрените електрони, молекуларните орбитали, химическите връзки и повърхностните свойства на материали. Фотоелектронната спектроскопия се използва широко в физиката, химията, биологията и науката за материали.

Резюме

В тази статия научихме за фотоелектроните и техните приложения. Фотоелектроните са електрони, излъчвани от материал, когато той поглъща светлинна енергия над определена порогова честота.

Феноменът на излъчването на фотоелектрони е известен като фотоелектричен ефект, и подкрепя квантната теория на светлината и веществото. Фотоелектричният ефект има някои характерни особености, които зависят от честотата и интензивността на светлината, работната функция на материала и кинетичната енергия на фотоелектроните.

Фотоелектроните могат да се използват за изучаване на електронната структура и химическия състав на материали, използвайки различни техники на фотоелектронна спектроскопия, като рентгенов фотоелектронна спектроскопия (XPS), ултравиолетова фотоелектронна спектроскопия (UPS), ъглово-разделителна фотоелектронна спектроскопия (ARPES), двухфотонна фотоелектронна спектроскопия (2PPE) и екстремно-ултравиолетова фотоелектронна спектроскопия (EUPS).

Фотоелектронната спектроскопия е важен инструмент за разбиране на свойствата и взаимодействията на атоми и молекули в различни състояния на веществото.