Šta su fotoelektroni?

Šta su fotoelektroni?

Definicija fotoelektrona

Fotoelektron se definiše kao elektron emitovan iz materijala kada apsorbuje svetlosnu energiju. Ovaj proces emisije zove se fotoelektrični efekat i pruža ključne dokaze o kvantnoj prirodi svetlosti i materije. Ovaj članak će objasniti šta su fotoelektroni, kako se proizvode, faktori koji utiču na njihovu emisiju, kao i njihove primene u nauki i tehnologiji.

Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat je proces u kojem elektroni emituju iz materijala kada je izložen svetlosti dovoljno visoke frekvencije ili energije. Materijal može biti metal, poluprovodnik ili bilo koji materijal sa slobodnim ili slabo vezanim površinskim elektronima. Svetlost može biti vidljiva, ultraljubičasta ili rentgenska, u zavisnosti od radnog potencijala materijala.

Radni potencijal se definiše kao minimalna energija potrebna da se elektron ukloni sa površine materijala. Mjeri se u elektronvoltima (eV), jedinica energije koja predstavlja energiju koju elektron stekne kretanjem kroz potencijalnu razliku od jednog volta. Radni potencijal varira u zavisnosti od vrste i stanja materijala, obično se kreće od 2 do 6 eV za metale.

Kada svetlost frekvencije f ili talasne dužine λ udari u površinu materijala, svaki fotoni (ili kvant svetlosti) nosi energiju E datu formulom

E=hf=λhc

gde je h Planckova konstanta (6.626 x 10^-34 J s), a c brzina svetlosti (3 x 10^8 m/s). Ako je energija fotona E veća ili jednaka radnom potencijalu W materijala, tada fotoni mogu prenijeti svoju energiju elektronu na površini, a elektron može pobjeći iz materijala sa nekom kinetičkom energijom K datom formulom

K=E−W=hf−W

Elektroni koji se emituju na ovaj način nazivaju se fotoelektroni, a oni formiraju fotostruju koja se može meriti spajanjem materijala sa vanjskim krugom.

Radni potencijal

Radni potencijal je minimalna energija potrebna da se elektron ukloni iz materijala, što utiče na emisiju fotoelektrona.

Instantana emisija

Emisija fotoelektrona je instantna i zavisi od frekvencije svetlosti, a ne njenog intenziteta.

Primene

Fotoelektrične celije ili solarni elementi: To su uređaji koji pretvaraju svetlosnu energiju u električnu koristeći fotoelektrični efekat. Sastoje se od poluprovodničkog materijala (kao što je silicij) koji apsorbira fotone i emituje fotoelektrone, koji se zatim sakupljaju elektrodama i formiraju električnu struju.

Fotomultiplicatorske cevi: To su uređaji koji pojačavaju slabe signale svetlosti koristeći seriju elektroda koje emituju sekundarne elektrone kada ih pogodi fotoelektroni. Koriste se u detektorima za radijaciju, spektroskopiji, astronomiji i medicinskom slikanju.

Fotoelektronska spektroskopija:

Ovo je tehnika koja koristi fotoelektrone za analizu hemijskog sastava i elektronske strukture materijala. Uključuje osvetljanje uzorka snopom fotona (kao što su rentgenski zraci ili UV svetlost) i merenje kinetičke energije i uglove raspodele emitovanih fotoelektrona. Koristeći princip održavanja energije, može se izračunati vezna energija fotoelektrona, što odražava energetske nivoa atoma i molekula u uzorku. Fotoelektronska spektroskopija može pružiti informacije o valentnim i jezgrenim elektronima, molekularnim orbitalima, hemijskim vezama i površinskim osobinama materijala. Fotoelektronska spektroskopija se široko koristi u fizici, hemiji, biologiji i nauki o materijalima.

Sažetak

U ovom članku smo naučili o fotoelektronima i njihovim primenama. Fotoelektroni su elektroni koji se emituju iz materijala kada apsorbuje svetlosnu energiju iznad određene granice frekvencije.

Fenomen emisije fotoelektrona poznat je kao fotoelektrični efekat, i podržava kvantnu teoriju svetlosti i materije. Fotoelektrični efekat ima neke karakteristične osobine koje zavise od frekvencije i intenziteta svetlosti, radnog potencijala materijala i kinetičke energije fotoelektrona.

Fotoelektroni se mogu koristiti za studiranje elektronske strukture i hemijskog sastava materijala koristeći različite tehnike fotoelektronske spektroskopije, kao što su X-ray fotoelektronska spektroskopija (XPS), ultraljubičasta fotoelektronska spektroskopija (UPS), uglu-resolventa fotoelektronska spektroskopija (ARPES), dvofotonna fotoelektronska spektroskopija (2PPE) i ekstremno-ultraljubičasta fotoelektronska spektroskopija (EUPS).

Fotoelektronska spektroskopija je važan alat za razumevanje osobina i interakcija atoma i molekula u različitim stanjima materije.