Kaj so fotoelektroni?

Kaj so fotoelektroni?

Definicija fotoelektronov

Fotoelektron je definiran kot elektron, ki se izloči iz materiala, ko ta absorpira svetlobno energijo. Ta proces izločitve se imenuje fotoelektrični učinek in ponuja ključne dokaze za kvantno naravo svetlobe in snovi. Ta članek bo razložil, kaj so fotoelektroni, kako so nastali, faktorji, ki vplivajo na njihovo izločanje, in njihove uporabe v znanosti in tehnologiji.

Fotoelektrični učinek

Fotoelektrični učinek je proces, pri katerem se elektroni izločijo iz materiala, ko je ta izpostavljen svetlobi z dovolj visoko frekvenco ali energijo. Material lahko predstavlja kovin, polprevodnik ali katero koli snov s prostimi ali slabo vezanimi površinskimi elektroni. Svetloba lahko zadeva vidni, ultravijolični ali rentgenski valovi, odvisno od delovne funkcije materiala.

Delovna funkcija je definirana kot najmanjša energija, potrebna za odstranitev elektrona s površine materiala. Merjena v elektronvoltih (eV), ta enota energije predstavlja energijo, ki jo elektron pridobi, če se premakne skozi enovoltov potencialni razliki. Delovna funkcija se spreminja glede na vrsto in stanje materiala, običajno pa sega od 2 do 6 eV za kovine.

Ko svetloba z frekvenco f ali valovno dolžino λ pride v stik s površino materiala, vsak foton (ali kvant svetlobe) nosi energijo E, dano z

E=hf=λhc

kjer je h Planckova konstanta (6,626 x 10^-34 J s), in c hitrost svetlobe (3 x 10^8 m/s). Če je fotonova energija E večja ali enaka delovni funkciji W materiala, foton lahko prenese svojo energijo elektronu na površini, in elektron lahko odpade iz materiala z neko kinetično energijo K, podano z

K=E−W=hf−W

Elektroni, ki se tako izločijo, se imenujejo fotoelektroni, in tvorijo fotoelektrični tok, ki ga lahko merimo, če povežemo material z zunanjim električnim obrokom.

Delovna funkcija

Delovna funkcija je najmanjša energija, potrebna za odstranitev elektrona iz materiala, kar vpliva na izločanje fotoelektronov.

Takojšnje izločanje

Izločanje fotoelektronov je takojšnje in odvisno od frekvence svetlobe, ne pa od njenega intenziteta.

Uporabe

Fotoelektrične celice ali sončne celice: To so naprave, ki pretvarjajo svetlobno energijo v električno energijo z uporabo fotoelektričnega učinka. Sestavljene so iz polprevodniškega materiala (na primer silicija), ki absorpira fotone in izloča fotoelektrone, ki jih nato zbirajo elektrodi in tvorijo električni tok.

Fotomnožilne cevi: To so naprave, ki pojačajo šibke svetlobne signale z uporabo zaporedja elektrod, ki izločajo sekundarne elektrone, ko so zadenjene s fotoelektroni. Uporabljajo se v detektorjih za radiacijo, spektroskopiji, astronomiji in medicinskih slikovnih postopkih.

Fotoelektronska spektroskopija:

To je tehnika, ki uporablja fotoelektrone za analizo kemijske sestave in elektronske strukture materialov. Vključuje osvetlitev vzorca s žarkom fotonov (na primer z rentgenskimi ali ultravijoličnimi valovi) in meritve kinetične energije in kotne porazdelitve izločenih fotoelektronov. Z uporabo principa ohranitve energije se lahko izračuna vezna energija fotoelektronov, ki odraža energetske ravni atomov in molekul v vzorcu. Fotoelektronska spektroskopija lahko prinaša informacije o valentnih in jedrskih elektronih, molekulskih orbitalih, kemijskih vezah in površinskih lastnostih materialov. Fotoelektronska spektroskopija se široko uporablja v fiziki, kemiji, biologiji in znanosti o materialih.

Povzetek

V tem članku smo spoznali fotoelektrone in njihove uporabe. Fotoelektroni so elektroni, ki se izločijo iz materiala, ko ta absorpira svetlobno energijo nad določeno pragovno frekvenco.

Pojav izločanja fotoelektronov se imenuje fotoelektrični učinek in podpira kvantno teorijo svetlobe in snovi. Fotoelektrični učinek ima nekatere karakteristične značilnosti, ki so odvisne od frekvence in intenziteta svetlobe, delovne funkcije materiala in kinetične energije fotoelektronov.

Fotoelektroni se lahko uporabljajo za študij elektronske strukture in kemijske sestave materialov z uporabo različnih tehnik fotoelektronske spektroskopije, kot so rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS), ultravijolična fotoelektronska spektroskopija (UPS), kotno odvisna fotoelektronska spektroskopija (ARPES), dvofotonska fotoelektronska spektroskopija (2PPE) in ekstremno-ultravijolična fotoelektronska spektroskopija (EUPS).

Fotoelektronska spektroskopija je pomembno orodje za razumevanje lastnosti in interakcij atomov in molekul v različnih stanjih snovi.