چه چیزی فوتون الکترون ها هستند

فتوئlektron‌ها چیستند؟

تعریف فتوئlektron

فتوئlektron به الکترونی گفته می‌شود که از یک ماده در صورت جذب انرژی نوری توسط آن ماده منتشر می‌شود. این فرآیند انتشار به نام اثر فتوالکتریک شناخته می‌شود و شواهد کلیدی برای طبیعت کوانتومی نور و ماده فراهم می‌کند. این مقاله توضیح خواهد داد که فتوئlektron‌ها چیستند، چگونه تولید می‌شوند، عوامل مؤثر بر انتشار آنها و کاربردهای آنها در علم و فناوری.

اثر فتوالکتریک

اثر فتوالکتریک فرآیندی است که در آن الکترون‌ها از یک ماده در صورت مواجهه با نور با فرکانس یا انرژی کافی منتشر می‌شوند. ماده می‌تواند فلز، نیمه‌رسانا یا هر ماده‌ای با الکترون‌های سطحی آزاد یا نسبتاً آزاد باشد. نور می‌تواند مرئی، فرابنفش یا اشعه ایکس باشد، بسته به تابع کار ماده.

تابع کار به حداقل انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از سطح یک ماده تعریف می‌شود. این انرژی با واحد الکترون ولت (eV) اندازه‌گیری می‌شود که 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 2 تا 6 eV متغیر است.

وقتی نور با فرکانس f یا طول موج λ به سطح یک ماده برخورد می‌کند، هر فوتون (یا کوانت نور) انرژی E را به صورت زیر حمل می‌کند

E=hf=λhc

که در آن 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 بزرگتر یا مساوی با تابع کار W ماده باشد، فوتون می‌تواند انرژی خود را به یک الکترون روی سطح منتقل کند و الکترون می‌تواند با انرژی جنبشی K از ماده خارج شود که به صورت زیر محاسبه می‌شود

K=E−W=hf−W

الکترون‌های منتشر شده به این روش فتوئlektron‌ها نامیده می‌شوند و یک جریان فتوالکتریک را تشکیل می‌دهند که می‌تواند با وصل کردن ماده به یک مدار خارجی اندازه‌گیری شود.

تابع کار

تابع کار حداقل انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از یک ماده است که بر انتشار فتوئlektron‌ها تأثیر می‌گذارد.

انتشار فوری

انتشار فتوئlektron‌ها فوری است و به فرکانس نور بستگی دارد، نه شدت آن.

کاربردها

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

لوله‌های فوتومولتیپلایر: این دستگاه‌ها سیگنال‌های ضعیف نور را با استفاده از یک سری الکترودهایی که وقتی توسط فتوئlektron‌ها برخورد می‌شوند الکترون‌های ثانویه منتشر می‌کنند، تقویت می‌کنند. آنها در آشکارسازهای تابش، طیف‌سنجی، ستاره‌شناسی و تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شوند.

طیف‌سنجی فتوئlektron:

این تکنیک از فتوئlektron‌ها برای تحلیل ترکیب شیمیایی و ساختار الکترونی مواد استفاده می‌کند. این کار شامل تابیدن یک پرتو فوتون (مانند اشعه ایکس یا نور فرابنفش) به یک نمونه و اندازه‌گیری انرژی جنبشی و توزیع زاویه‌ای فتوئlektron‌های منتشر شده است. با استفاده از اصل بقای انرژی، انرژی پیوند فتوئlektron‌ها محاسبه می‌شود که انرژی‌های سطوح اتم‌ها و مولکول‌های موجود در نمونه را منعکس می‌کند. طیف‌سنجی فتوئlektron می‌تواند اطلاعاتی درباره الکترون‌های والانس و هسته‌ای، مدارهای مولکولی، پیوندهای شیمیایی و خصوصیات سطحی مواد فراهم کند. طیف‌سنجی فتوئlektron در فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و علم مواد به طور گسترده استفاده می‌شود.

خلاصه

در این مقاله، ما درباره فتوئlektron‌ها و کاربردهای آنها آموختیم. فتوئlektron‌ها الکترون‌هایی هستند که از یک ماده در صورت جذب انرژی نوری بالاتر از یک فرکانس آستانه‌ای منتشر می‌شوند.

پدیده انتشار فتوئlektron به نام اثر فتوالکتریک شناخته می‌شود و نظریه کوانتومی نور و ماده را پشتیبانی می‌کند. اثر فتوالکتریک ویژگی‌های مشخصی دارد که به فرکانس و شدت نور، تابع کار ماده و انرژی جنبشی فتوئlektron بستگی دارد.

فتوئlektron‌ها می‌توانند برای مطالعه ساختار الکترونی و ترکیب شیمیایی مواد با استفاده از روش‌های مختلف طیف‌سنجی فتوئlektron مانند طیف‌سنجی فتوئlektron اشعه ایکس (XPS)، طیف‌سنجی فتوئlektron فرابنفش (UPS)، طیف‌سنجی فتوئlektron زاویه‌ای (ARPES)، طیف‌سنجی فتوئlektron دو فوتون (2PPE) و طیف‌سنجی فتوئlektron فرابنفش بسیار (EUPS) استفاده شوند.

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