Co jsou fotoelektrony?

Co jsou fotoelektrony?

Definice fotoelektronu

Fotoelektronem se nazývá elektron vyslaný z materiálu, když ten absorbuje světelnou energii. Tento vysílací proces se nazývá fotoelektrický jev a poskytuje klíčové důkazy pro kvantovou povahu světla a hmoty. Tento článek vysvětlí, co jsou fotoelektrony, jak jsou produkovány, faktory ovlivňující jejich vysílání a jejich aplikace ve vědě a technologii.

Fotoelektrický jev

Fotoelektrický jev je proces, při kterém jsou elektrony vyslány z materiálu, když je ten expozován světlu dostatečné frekvence nebo energie. Materiál může být kov, polovodič nebo jakákoli látka s volnými nebo slabě vázanými povrchovými elektrony. Světlo může být viditelné, ultrafialové nebo rentgenové, v závislosti na práci funkce materiálu.

Práce funkce je definována jako minimální energie potřebná k odstranění elektronu z povrchu materiálu. Měřená v elektronvoltech (eV), tato jednotka energie reprezentuje energii získanou elektronem pohybujícím se skrz rozdíl potenciálu jednoho voltu. Práce funkce se liší podle typu a stavu materiálu, obvykle se pohybuje mezi 2 a 6 eV pro kovy.

Když světlo frekvence f nebo vlnové délky λ dopadne na povrch materiálu, každý foton (nebo kvant světla) nese energii E danou rovnicí

E=hf=λhc

kde h je Planckova konstanta (6,626 x 10^-34 J s) a c je rychlost světla (3 x 10^8 m/s). Pokud je energie fotona E větší nebo rovna práci funkce W materiálu, pak foton může převést svou energii na elektron na povrchu, a elektron může uniknout z materiálu s nějakou kinetickou energií K danou rovnicí

K=E−W=hf−W

Elektrony, které jsou vyslány tímto způsobem, se nazývají fotoelektrony, a formují fotoelektrický proud, který lze změřit připojením materiálu ke vnějšímu obvodu.

Práce funkce

Práce funkce je minimální energie potřebná k odstranění elektronu z materiálu, což ovlivňuje vysílání fotoelektronů.

Okamžité vysílání

Vysílání fotoelektronů je okamžité a závisí na frekvenci světla, nikoli na jeho intenzitě.

Aplikace

Fotoelektrické články nebo solární články: Jsou to zařízení, která převádějí světelnou energii na elektrickou energii pomocí fotoelektrického jevu. Skládají se z polovodičového materiálu (např. křemíku), který absorbuje fotony a vysílá fotoelektrony, které jsou pak shromažďovány elektrodami a tvoří elektrický proud.

Fotomultiplikační trubice: Jsou to zařízení, která zesilují slabé signály světla pomocí série elektrod, které emitují sekundární elektrony, když jsou zasaženy fotoelektrony. Používají se v detektorech pro radiaci, spektroskopii, astronomii a medicínské zobrazování.

Fotoelektronová spektroskopie:

Je to technika, která používá fotoelektrony k analýze chemického složení a elektronické struktury materiálů. Zahrnuje osvětlení vzorku paprskem fotónů (např. rentgenové nebo ultrafialové světlo) a měření kinetické energie a úhlové distribuce vyslaných fotoelektronů. Pomocí principu zachování energie lze spočítat vazebnou energii fotoelektronů, což odráží energetické úrovně atomů a molekul ve vzorku. Fotoelektronová spektroskopie může poskytnout informace o valenčních a jádrových elektronech, molekulových orbitalích, chemických vazbách a povrchových vlastnostech materiálů. Fotoelektronová spektroskopie se široce používá v fyzice, chemii, biologii a vědách o materiálech.

Shrnutí

V tomto článku jsme se naučili o fotoelektronech a jejich aplikacích. Fotoelektrony jsou elektrony, které jsou vyslány z materiálu, když ten absorbuje světelnou energii nad určitou prahovou frekvenci.

Jev vysílání fotoelektronů se nazývá fotoelektrický jev a podporuje kvantovou teorii světla a hmoty. Fotoelektrický jev má některé charakteristické vlastnosti, které závisí na frekvenci a intenzitě světla, práci funkce materiálu a kinetické energii fotoelektronu.

Fotoelektrony lze použít k studiu elektronické struktury a chemického složení materiálů pomocí různých technik fotoelektronové spektroskopie, jako je rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS), ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (UPS), úhlově-resolvení fotoelektronová spektroskopie (ARPES), dvoufotonová fotoelektronová spektroskopie (2PPE) a extrémně ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (EUPS).

Fotoelektronová spektroskopie je důležitým nástrojem pro porozumění vlastnostem a interakcím atomů a molekul v různých stavech hmoty.