چه چیزی فوتون الکترون ها است

چه چیزی فوتون الکترون است؟

تعریف فوتون الکترون

فوتون الکترون به الکترونی گفته می‌شود که از یک ماده در صورت جذب انرژی نوری تابیده می‌شود. این فرآیند تابش، اثر فوتوالکتریک نام دارد و شواهد مهمی برای ماهیت کوانتومی نور و ماده فراهم می‌کند. این مقاله به توضیح آنچه که فوتون الکترون‌ها هستند، نحوه تولید آنها، عوامل مؤثر بر تابش آنها و کاربردهای آنها در علم و فناوری می‌پردازد.

اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک فرآیندی است که در آن الکترون‌ها از یک ماده تابیده می‌شوند وقتی که به نور با فرکانس یا انرژی کافی مواجه می‌شوند. ماده می‌تواند فلز، نیمه‌رسانا یا هر ماده‌ای با الکترون‌های سطحی آزاد یا نسبتاً آزاد باشد. نور می‌تواند مرئی، ماوراء بنفش یا اشعه ایکس باشد، بسته به تابع کاری ماده.

تابع کار به حداقل انرژی لازم برای خارج کردن یک الکترون از سطح یک ماده تعریف می‌شود. این انرژی به الکترون‌ولت (eV) اندازه‌گیری می‌شود و نشان‌دهنده انرژی کسب شده توسط یک الکترون در حرکت از طریق یک اختلاف پتانسیل یک ولتی است. تابع کار با نوع و حالت ماده متفاوت است و معمولاً برای فلزات بین ۲ تا ۶ eV متغیر است.

وقتی نور با فرکانس f یا طول موج λ سطح یک ماده را می‌پوشاند، هر فوتون (یا کوانت نور) انرژی E را حمل می‌کند که توسط

E=hf=λhc

که h ثابت پلانک (6.626 x 10^-34 J s) و c سرعت نور (3 x 10^8 m/s) است. اگر انرژی فوتون E برابر یا بیشتر از تابع کار W ماده باشد، آنگاه فوتون می‌تواند انرژی خود را به یک الکترون روی سطح منتقل کند و الکترون می‌تواند با انرژی جنبشی K خارج شود که توسط

K=E−W=hf−W

الکترون‌هایی که به این روش تابیده می‌شوند فوتون الکترون نامیده می‌شوند و جریان فوتوالکتریکی را تشکیل می‌دهند که می‌تواند با وصل کردن ماده به یک مدار خارجی اندازه‌گیری شود.

تابع کار

تابع کار حداقل انرژی لازم برای خارج کردن یک الکترون از یک ماده است که بر تابش فوتون الکترون تأثیر می‌گذارد.

تابش فوری

تابش فوتون الکترون فوری است و به فرکانس نور بستگی دارد، نه به شدت آن.

کاربردها

سلول‌های فوتوالکتریک یا سلول‌های خورشیدی: این دستگاه‌ها که انرژی نوری را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند با استفاده از اثر فوتوالکتریک عمل می‌کنند. آنها شامل یک ماده نیمه‌رسانا (مانند سیلیکون) هستند که فوتون‌ها را جذب کرده و فوتون الکترون‌ها را تابیده می‌کنند که سپس توسط الکترودها جمع‌آوری شده و جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند.

لامپ‌های فوتومولتیپلایر: این دستگاه‌ها که سیگنال‌های ضعیف نور را با استفاده از یک سری الکترودهایی که زمانی که توسط فوتون الکترون‌ها ضربه خوردند الکترون‌های ثانویه را تابیده می‌کنند، تقویت می‌کنند. آنها در آشکارسازهای تابش، طیف‌سنجی، ستاره‌شناسی و تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شوند.

طیف‌سنجی فوتون الکترون:

این تکنیک که از فوتون الکترون‌ها برای تحلیل ترکیب شیمیایی و ساختار الکترونی مواد استفاده می‌کند شامل تابیدن یک پرتو فوتون (مانند اشعه ایکس یا نور ماوراء بنفش) به یک نمونه و اندازه‌گیری انرژی جنبشی و توزیع زاویه‌ای فوتون الکترون‌های تابیده شده است. با استفاده از اصل حفظ انرژی، انرژی مقید فوتون الکترون‌ها محاسبه می‌شود که انرژی سطوح اتم‌ها و مولکول‌ها در نمونه را منعکس می‌کند. طیف‌سنجی فوتون الکترون می‌تواند اطلاعاتی درباره الکترون‌های والانسی و هسته‌ای، مدارهای مولکولی، پیوندهای شیمیایی و ویژگی‌های سطحی مواد ارائه دهد. طیف‌سنجی فوتون الکترون در فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و علم مواد به طور گسترده استفاده می‌شود.

خلاصه

در این مقاله، ما در مورد فوتون الکترون‌ها و کاربردهای آنها آموخته‌ایم. فوتون الکترون‌ها الکترون‌هایی هستند که از یک ماده در صورت جذب انرژی نوری بالاتر از یک فرکانس آستانه تابیده می‌شوند.

پدیده تابش فوتون الکترون اثر فوتوالکتریک نامیده می‌شود و نظریه کوانتومی نور و ماده را تایید می‌کند. اثر فوتوالکتریک ویژگی‌های مشخصی دارد که به فرکانس و شدت نور، تابع کار ماده و انرژی جنبشی فوتون الکترون بستگی دارد.

فوتون الکترون‌ها می‌توانند برای مطالعه ساختار الکترونی و ترکیب شیمیایی مواد با استفاده از روش‌های مختلف طیف‌سنجی فوتون الکترون، مانند طیف‌سنجی فوتون الکترون اشعه ایکس (XPS)، طیف‌سنجی فوتون الکترون ماوراء بنفش (UPS)، طیف‌سنجی فوتون الکترون با زاویه‌ی حل شده (ARPES)، طیف‌سنجی فوتون الکترون دو فوتونی (2PPE) و طیف‌سنجی فوتون الکترون ماوراء بنفش بسیار (EUPS) استفاده شوند.

طیف‌سنجی فوتون الکترون ابزار مهمی برای درک ویژگی‌ها و تعاملات اتم‌ها و مولکول‌ها در حالات مختلف ماده است.