Što su fotoelektroni?

Što su fotoelektroni?

Definicija fotoelektrona

Fotoelectron je definiran kao elektron koji se emitira iz materijala kada apsorbira svjetlostnu energiju. Taj emisivni proces zove se fotoelektrični efekt i pruža ključne dokaze o kvantnoj prirodi svjetlosti i tvari. Ovaj članak će objasniti što su fotoelektroni, kako se proizvode, faktori koji utječu na njihovu emisiju i njihove primjene u znanosti i tehnologiji.

Fotoelektrični efekt

Fotoelektrični efekt je proces u kojem se elektroni emitiraju iz materijala kada je on izložen svjetlosti dovoljno visoke frekvencije ili energije. Materijal može biti metal, poluprovodnik ili bilo koja tvar s slobodnim ili slabo vezanim površinskim elektronima. Svjetlost može biti vidljiva, ultraljubičasta (UV) ili röntgen, ovisno o radnom funkcionalitetu materijala.

Radna funkcija definirana je kao minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona s površine materijala. Mjerena u elektronvoltima (eV), ova jedinica energije predstavlja energiju koju elektron stječe kretanjem kroz razliku potencijala od jednog volta. Radna funkcija varira ovisno o vrsti i stanju materijala, obično se kreće od 2 do 6 eV za metale.

Kada svjetlost frekvencije f ili valne dužine λ udari u površinu materijala, svaki foton (ili kvant svjetlosti) nosi energiju E koja se daje formulom

E=hf=λhc

gdje je h Planckova konstanta (6.626 x 10^-34 J s), a c brzina svjetlosti (3 x 10^8 m/s). Ako je energija fotona E veća ili jednaka radnoj funkciji W materijala, tada foton može prenijeti svoju energiju elektronu na površini, a elektron može pobjeći iz materijala s nekom kinetičkom energijom K koja se daje formulom

K=E−W=hf−W

Elektroni koji se emitiraju na taj način zovu se fotoelektroni, a oni formiraju fotostruju koju se može mjeriti spajanjem materijala s vanjskim krugom.

Radna funkcija

Radna funkcija je minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona iz materijala, što utječe na emisiju fotoelektrona.

Trenutna emisija

Emisija fotoelektrona je trenutna i ovisi o frekvenciji svjetlosti, a ne o njenoj intenzitetu.

Primjene

Fotoelektrični elementi ili solarni elementi: To su uređaji koji pretvaraju svjetlosnu energiju u električnu energiju koristeći fotoelektrični efekt. Sastoje se od poluprovodničkog materijala (poput silicijuma) koji apsorbira fotone i emitira fotoelektrone, koji se zatim prikupljaju elektrodama i formiraju električnu struju.

Fotomnožački cijevi: To su uređaji koji pojačavaju slabe svjetlosne signale koristeći niz elektroda koje emitiraju sekundarne elektrone kada ih pogodi fotoelectron. Koriste se u detektorima za zračenje, spektroskopiji, astronomiji i medicinskom slikanju.

Fotoelektronska spektroskopija:

To je tehnika koja koristi fotoelektrone za analizu kemijskog sastava i elektronske strukture materijala. Uključuje osvjetljenje uzorka snopom fotona (poput röntgena ili UV svjetlosti) i mjerenje kinetičke energije i kutne distribucije emitiranih fotoelektrona. Koristeći princip očuvanja energije, može se izračunati vezna energija fotoelektrona, što odražava energetske razine atoma i molekula u uzorku. Fotoelektronska spektroskopija može pružiti informacije o valentnim i jezgračnim elektronima, molekulskim orbitalima, kemijskim vezama i površinskim osobinama materijala. Fotoelektronska spektroskopija široko se koristi u fizici, kemiji, biologiji i znanosti o materijalima.

Sažetak

U ovom članku naučili smo o fotoelektronima i njihovim primjenama. Fotoelektroni su elektroni koji se emitiraju iz materijala kada apsorbira svjetlostnu energiju iznad određene pragne frekvencije.

Pojava emisije fotoelektrona poznata je kao fotoelektrični efekt, a podržava kvantnu teoriju svjetlosti i tvari. Fotoelektrični efekt ima neke karakteristične značajke koje ovisi o frekvenciji i intenzitetu svjetlosti, radnoj funkciji materijala i kinetičkoj energiji fotoelektrona.

Fotoelektroni se mogu koristiti za studij elektronske strukture i kemijskog sastava materijala korištenjem različitih tehnika fotoelektronske spektroskopije, poput röntgenske fotoelektronske spektroskopije (XPS), ultraljubičaste fotoelektronske spektroskopije (UPS), kutno rezoluirane fotoelektronske spektroskopije (ARPES), dvofotonne fotoelektronske spektroskopije (2PPE) i ekstremno-ultraljubičaste fotoelektronske spektroskopije (EUPS).

Fotoelektronska spektroskopija je važno sredstvo za razumijevanje svojstava i interakcija atoma i molekula u različitim stanjima tvari.