מה הם פוטונים חשמליים

מה הם אלקטרונים פוטואלקטריים?

הגדרת אלקטרון פוטואלקטרי

אלקטרון פוטואלקטרי מוגדר כאלקטרון הנפלט מהחומר כאשר הוא סופג אנרגיית אור. תהליך הנפלט הזה נקרא אפקט הפוטואלקטרי והוא מספק הוכחה מרכזית לטבע הקוונטי של האור והחומר. מאמר זה יסביר מה הם אלקטרונים פוטואלקטריים, כיצד הם נוצרים, גורמים המשפיעים על הנפלתם, ומשתמשים בהם במדע טכנולוגיה.

אפקט פוטואלקטרי

אפקט הפוטואלקטרי הוא התהליך שבו אלקטרונים נפלטים מהחומר כאשר הוא חשוף לאור בתדירות או אנרגיה מספיקה. החומר יכול להיות מתכת, חצי מוליך, או כל חומר עם אלקטרונים חופשיים או קשורים במעט לפני השטח. האור יכול להיות נראה, אולטרה סגול, או קרני רנטגן, בהתאם לפונקציית העבודה של החומר.

פונקציית העבודה מוגדרת כהאנרגיה המינימלית הנדרשת להסיר אלקטרון משטח החומר. היא נמדדת באלקטרון-וולטים (eV), יחידת אנרגיה המייצגת את האנרגיה שמשיג אלקטרון עובר דרך הפרש פוטנציאל של וולט אחד. פונקציית העבודה משתנה בהתאם לסוג החומר והמצב, בדרך כלל בין 2 ל-6 eV עבור מתכות.

כאשר אור בתדירות f או באורך גל λ פוגע בשטח החומר, כל פוטון (או קוונט אור) נושא אנרגיה E נתונה על ידי

E=hf=λhc

כאשר h הוא קבוע פלאנק (6.626 x 10^-34 J s), ו-c היא מהירות האור (3 x 10^8 m/s). אם אנרגיית הפוטון E גדולה או שווה לפונקציית העבודה W של החומר, אז הפוטון יכול להעביר את האנרגיה שלו לאלקטרון על השטח, והאלקטרון יכול להימלט מהחומר עם אנרגיה קינטית K נתונה על ידי

K=E−W=hf−W

האלקטרונים שנפלטים בצורה כזו נקראים אלקטרונים פוטואלקטריים, והם יוצרים זרם פוטואלקטרי שניתן למדוד על ידי חיבור החומר לمدار חיצוני.

פונקציית עבודה

פונקציית העבודה היא האנרגיה המינימלית הנדרשת להסיר אלקטרון מהחומר, המשפיעה על הנפלת אלקטרונים פוטואלקטריים.

פליטה מיידית

הנפתת אלקטרונים פוטואלקטריים היא מיידית ותלויה בתדירות האור, ולא בחזותו.

יישומים

תאים פוטואלקטריים או תאים סולריים: אלו הם מכשירים הממירים אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית באמצעות אפקט הפוטואלקטרי. הם מורכבים מחומר חצי מוליך (כמו סיליקון) שסובב פוטונים ומפליט אלקטרונים פוטואלקטריים, שמתאספים על ידי אלקטרודות ויוצרים זרם חשמלי.

צינורות פוטומולטיפייר: אלו הם מכשירים המשפרים אותות אור חלשים באמצעות סדרה של אלקטרודות שפולטות אלקטרונים משניים כאשר הם נפגשים עם אלקטרונים פוטואלקטריים. הם משמשיםendetectors למדידת קרינה, ספקטרוסקופיה, אסטרונומיה ותמונה רפואית.

ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית:

זוהי טכניקה המשתמשת באלקטרונים פוטואלקטריים כדי לנתח את ההרכב הכימי והמבנה האלקטרוני של חומרים. היא כוללת זריקה של פוטונים (כמו קרני רנטגן או אור אולטרה סגול) על מדגם ומדידה של האנרגיה הקינטית והתפזרות הזוויתית של האלקטרונים הפוטואלקטריים הנפלטים. באמצעות עקרון שימור האנרגיה, ניתן לחשב את אנרגיית הקשירה של האלקטרונים הפוטואלקטריים, שמשקפת את רמות האנרגיה של האטומים והמולקולות במדגם. ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית יכולה לספק מידע על האלקטרונים הערכתיים והמרכזיים, המסלולים המולקולריים, קשרי הכימיה והמאפיינים של פני השטח של החומרים. ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית משמשת באופן נרחב בפיזיקה, כימיה, ביולוגיה ומדע החומרים.

סיכום

במאמר זה למדנו על אלקטרונים פוטואלקטריים ועל היישומים שלהם. אלקטרונים פוטואלקטריים הם אלקטרונים שנפלטים מהחומר כאשר הוא סופג אנרגיית אור מעל תדר סף מסוים.

הופעת אלקטרונים פוטואלקטריים נקראת אפקט פוטואלקטרי, והיא תומכת בתורת הקוונטים של האור והחומר. לאפקט הפוטואלקטרי יש מאפיינים מובהקים תלויים בתדירות והחזקה של האור, פונקציית העבודה של החומר, ואנרגיית הקינטיקה של אלקטרון פוטואלקטרי.

אלקטרונים פוטואלקטריים יכולים לשמש לחקירת המבנה האלקטרוני וההרכב הכימי של חומרים באמצעות טכניקות שונות של ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית, כגון ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית קרני רנטגן (XPS), ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית אולטרה סגול (UPS), ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית מכוון זווית (ARPES), ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית שני פוטונים (2PPE), וספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית אולטרה סגול קיצוני (EUPS).

ספקטרוסקופיה פוטואלקטרונית היא כלי חשוב להבנת התכונות והאינטרקציות של אטומים ומולקולות בדרכים שונות של מצב חומר.