Що таке фотоелектрони?

Що таке фотоелектрони?

Визначення фотоелектрона

Фотоелектрон визначається як електрон, виділений з матеріалу, коли він поглинає світлову енергію. Цей процес виділення називається фотоелектричним ефектом, і він надає ключові докази квантової природи світла та речовини. У цій статті буде пояснено, що таке фотоелектрони, як вони виробляються, фактори, що впливають на їх виділення, та їх застосування в науці та технологіях.

Фотоелектричний ефект

Фотоелектричний ефект — це процес, при якому електрони виділяються з матеріалу, коли він подіє до світла достатньої частоти або енергії. Матеріал може бути металом, напівпровідником або будь-якою речовиною з вільними або слабо пов'язаними поверхневими електронами. Світло може бути видимим, ультрафіолетовим або рентгенівським, залежно від робочої функції матеріалу.

Робоча функція визначається як мінімальна енергія, необхідна для вилучення електрона з поверхні матеріалу. Вимірюється в електронвольтах (еV), ця одиниця енергії представляє енергію, отриману електроном при переміщенні через потенційну різницю в один вольт. Робоча функція змінюється від типу та стану матеріалу, зазвичай вона становить від 2 до 6 еV для металів.

Коли світло частоти f або довжини хвилі λ ударяє в поверхню матеріалу, кожен фотон (або квант світла) несе енергію E, яка визначається як

E=hf=λhc

де h — стала Планка (6,626 × 10^-34 Дж·с), а c — швидкість світла (3 × 10^8 м/с). Якщо енергія фотона E більша або дорівнює робочій функції W матеріалу, то фотон може передати свою енергію електрону на поверхні, і електрон може втекти з матеріалу з деякою кінетичною енергією K, яка визначається як

K=E−W=hf−W

Електрони, які виділяються таким чином, називаються фотоелектронами, і вони формують фотоелектричний струм, який можна виміряти, підключивши матеріал до зовнішнього контуру.

Робоча функція

Робоча функція — це мінімальна енергія, необхідна для вилучення електрона з матеріалу, що впливає на виділення фотоелектронів.

Миттєве виділення

Виділення фотоелектронів є миттєвим і залежить від частоти світла, а не його інтенсивності.

Застосування

Фотоелектричні елементи або сонячні елементи: це пристрої, які перетворюють світлову енергію на електричну за допомогою фотоелектричного ефекту. Вони складаються з напівпровідникового матеріалу (наприклад, кремнію), який поглинає фотони і виділяє фотоелектрони, які потім збираються електродами і формують електричний струм.

Фотомножачі трубки: це пристрої, які підсилюють слабкі сигнали світла, використовуючи серію електродів, які виділяють вторинні електрони, коли вони ударяються фотоелектронами. Вони використовуються в детекторах радіації, спектроскопії, астрономії та медичному зображення.

Фотоелектронна спектроскопія:

Це техніка, яка використовує фотоелектрони для аналізу хімічного складу та електронної структури матеріалів. Вона включає освітлення зразка пучком фотонів (наприклад, рентгенівським або ультрафіолетовим світлом) та вимірювання кінетичної енергії та кутового розподілу виділених фотоелектронів. За допомогою принципу збереження енергії можна обчислити зв'язуючу енергію фотоелектронів, яка відображає енергетичні рівні атомів і молекул у зразку. Фотоелектронна спектроскопія може надати інформацію про валентні та кореневі електрони, молекулярні орбіталі, хімічні зв'язки та поверхневі властивості матеріалів. Фотоелектронна спектроскопія широко використовується в фізиці, хімії, біології та наукі про матеріали.

Підсумок

У цій статті ми дізналися про фотоелектрони та їх застосування. Фотоелектрони — це електрони, які виділяються з матеріалу, коли він поглинає світлову енергію вище певної порогової частоти.

Явище виділення фотоелектронів відоме як фотоелектричний ефект, і воно підтверджує квантову теорію світла та речовини. Фотоелектричний ефект має характерні особливості, які залежать від частоти та інтенсивності світла, робочої функції матеріалу та кінетичної енергії фотоелектронів.

Фотоелектрони можуть бути використані для вивчення електронної структури та хімічного складу матеріалів за допомогою різних методів фотоелектронної спектроскопії, таких як рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (XPS), ультрафіолетова фотоелектронна спектроскопія (UPS), кутова резольвентна фотоелектронна спектроскопія (ARPES), двофотонна фотоелектронна спектроскопія (2PPE) та екстремально-ультрафіолетова фотоелектронна спектроскопія (EUPS).

Фотоелектронна спектроскопія є важливим інструментом для розуміння властивостей та взаємодій атомів і молекул у різних станах речовини.