Τι είναι φωτοηλεκτρόνια;

Τι είναι οι φωτοηλεκτρόνια;

Ορισμός των φωτοηλεκτρόνιων

Ένα φωτοηλεκτρόνιο ορίζεται ως ένα ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται από ένα υλικό όταν αυτό απορροφά ενέργεια φωτός. Αυτή η διαδικασία εκπομπής ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και παρέχει βασικά στοιχεία για την ποσοτική φύση του φωτός και της ύλης. Αυτό το άρθρο θα εξηγήσει τι είναι τα φωτοηλεκτρόνια, πώς παράγονται, τους παράγοντες που επηρεάζουν την εκπομπή τους και τις εφαρμογές τους στην επιστήμη και την τεχνολογία.

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η διαδικασία με την οποία τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από ένα υλικό όταν αυτό εκτίθεται σε φως αρκετής συχνότητας ή ενέργειας. Το υλικό μπορεί να είναι μέταλλο, ημιαγωγό ή οποιοδήποτε άλλο υλικό με ελεύθερα ή ελαφρά δεμένα επιφανειακά ηλεκτρόνια. Το φως μπορεί να είναι ορατό, υπεριώδες ή χρωματικό, ανάλογα με την εργασία λειτουργίας του υλικού.

Η εργασία λειτουργίας ορίζεται ως η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο από την επιφάνεια ενός υλικού. Μετρείται σε ηλεκτρονιοβόλτ (eV), αυτή η μονάδα ενέργειας αντιπροσωπεύει την ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν κινείται μέσα σε διαφορά δυναμικού ένα βόλτ. Η εργασία λειτουργίας μεταβάλλεται με τον τύπο και την κατάσταση του υλικού, συνήθως είναι από 2 έως 6 eV για τα μέταλλα.

Όταν το φως με συχνότητα f ή μήκος κύματος λ χτυπάει την επιφάνεια ενός υλικού, κάθε φωτόνιο (ή κβάντο φωτός) μεταφέρει μια ενέργεια E που δίνεται από

E=hf=λhc

όπου h είναι η σταθερά Planck (6.626 x 10^-34 J s), και c είναι η ταχύτητα του φωτός (3 x 10^8 m/s). Εάν η ενέργεια του φωτόνιου E είναι μεγαλύτερη ή ίση με την εργασία λειτουργίας W του υλικού, τότε το φωτόνιο μπορεί να μεταφέρει την ενέργειά του σε ένα ηλεκτρόνιο στην επιφάνεια, και το ηλεκτρόνιο μπορεί να εκπέμψει από το υλικό με κάποια κινητική ενέργεια K που δίνεται από

K=E−W=hf−W

Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια, και σχηματίζουν ένα φωτοηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να μετρηθεί συνδέοντας το υλικό με ένα εξωτερικό κύκλωμα.

Εργασία λειτουργίας

Η εργασία λειτουργίας είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα υλικό, επηρεάζοντας την εκπομπή των φωτοηλεκτρονίων.

Αμέση εκπομπή

Η εκπομπή των φωτοηλεκτρονίων είναι αμέση και εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός, όχι από την έντασή του.

Εφαρμογές

Φωτοηλεκτρικά κύκλωματα ή φωτοηλεκτρικά στοιχεία: Αυτά είναι συστήματα που μετατρέπουν την ενέργεια φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια με τη χρήση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Αποτελούνται από ημιαγωγικό υλικό (όπως το πυρίτιο) που απορροφά φωτόνια και εκπέμπει φωτοηλεκτρόνια, τα οποία συλλέγονται από ηλεκτρόδους και σχηματίζουν ηλεκτρικό ρεύμα.

Φωτοπολυπληθυντικά σωλήνες: Αυτά είναι συστήματα που ενισχύουν αδύναμες οπτικές σήματα με τη χρήση μιας σειράς ηλεκτροδών που εκπέμπουν δευτερεύουσες ηλεκτρονια όταν χτυπούνται από φωτοηλεκτρόνια. Χρησιμοποιούνται σε ανιχνευτές για ακτινοβολία, σπεκτροσκοπία, αστρονομία και ιατρική εικονογράφηση.

Φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία:

Αυτή είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί φωτοηλεκτρόνια για την ανάλυση της χημικής σύνθεσης και της ηλεκτρονικής δομής των υλικών. Περιλαμβάνει την εξαπόστολη μιας ομάδας φωτόνιων (όπως χειροκίνητα ή υπεριώδη φωτός) σε ένα δείγμα και τη μέτρηση της κινητικής ενέργειας και της γωνιακής κατανομής των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων. Χρησιμοποιώντας την αρχή της διατήρησης της ενέργειας, η δεσμευτική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων μπορεί να υπολογιστεί, η οποία αντικατοπτρίζει τα επίπεδα ενέργειας των ατόμων και των μορίων στο δείγμα. Η φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία μπορεί να παράγει πληροφορίες για τα παραμετρικά και πυρήνια ηλεκτρόνια, τα μοριακά τροχιακά, τις χημικές δεσμεύσεις και τις επιφανειακές ιδιότητες των υλικών. Η φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη στη φυσική, τη χημεία, τη βιολογία και την επιστήμη των υλικών.

Σύνοψη

Σε αυτό το άρθρο, μάθαμε για τα φωτοηλεκτρόνια και τις εφαρμογές τους. Τα φωτοηλεκτρόνια είναι ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από ένα υλικό όταν αυτό απορροφά ενέργεια φωτός πάνω από μια συγκεκριμένη κατώφλια συχνότητα.

Το φαινόμενο της εκπομπής φωτοηλεκτρονίων ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, και υποστηρίζει την ποσοτική θεωρία του φωτός και της ύλης. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο έχει κάποια χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από τη συχνότητα και την ένταση του φωτός, την εργασία λειτουργίας του υλικού και την κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων.

Τα φωτοηλεκτρόνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη της ηλεκτρονικής δομής και της χημικής σύνθεσης των υλικών με τη χρήση διάφορων τεχνικών φωτοηλεκτρονικής σπεκτροσκοπίας, όπως η χειροκίνητη φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία (XPS), η υπεριώδης φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία (UPS), η γωνιακή φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία (ARPES), η διφωτονιακή φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία (2PPE) και η εξαιρετικά υπεριώδης φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία (EUPS).

Η φωτοηλεκτρονική σπεκτροσκοπία είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την κατανόηση των ιδιοτήτων και των αλληλεπιδράσεων των ατόμων και των μορίων σε διαφορετικές καταστάσεις ύλης.