Кіріспе
Жарық материалға тиген кезде электрондардың шығарылуы. Фотоэлектрлік эффект – электромагниттік сәулеленудің (жарықтың) әсерінен материалдан электрондардың шығарылуы. Осылайша шығарылатын электрондар фотоэлектрондар деп аталады. Бұл құбылыс конденсирленген заттар физикасы, қатты дене физикасы және кванттық химия салаларында атомдардың, молекулалардың және қатты денелердің қасиеттерін анықтау үшін зерттеледі. Бұл эффект жарықты анықтауға және уақыты дәл электронды сәуле шығаруға арналған арнайы электрондық құрылғыларда қолданылады. Эксперименттік нәтижелер классикалық электромагнетизммен келіспейді, ол үздіксіз жарық толқындары энергияны электрондарға беруі, ал олар жеткілікті энергия жинақтағанда шығарылуы керек деп болжайды. Жарықтың қарқындылығының өзгеруі шығарылған электрондардың кинетикалық энергиясын өзгертуі керек еді, ал әлсіз жарық кешіктірілген эмиссияға әкелуі тиіс. Бірақ эксперименттік нәтижелер электрондардың тек жарық белгілі бір жиіліктен асқанда ғана шығарылатынын көрсетті – жарықтың қарқындылығына немесе әсер ету уақытына қарамастан. Жоғары қарқындылықтағы төмен жиілікті сәуле фотоэлектронды өндіру үшін қажетті энергияны жинақтай алмайды, себебі үздіксіз толқын жарығының энергиясы уақыт өте келе жинақталатын болса, Альберт Эйнштейн жарық сәулесінің кеңістікте таралатын толқын емес, дискретті энергия пакеттерінің – 1926 жылы Гилберт Н. Льюис ашқан фотондардың жиынтығы екенін ұсынды. Типтік металдардан өткізгіш электрондарды шығару үшін қысқа толқынды ұзындығы бар көрінетін немесе ультракүлгін сәулеге сәйкес бірнеше электрон вольт (eV) жарық кванттары қажет. Ерекше жағдайларда, эмиссия фотондардың энергиясы нөлге жақындағанда туындайды, мысалы, теріс электрондық жақындыққа ие жүйелерде және қозған күйлерден эмиссияда немесе жоғары атомдық саны бар элементтердегі ішкі электрондар үшін бірнеше жүз кВ фотондармен. Фотоэлектрлік эффектті зерттеу жарық пен электрондардың кванттық табиғатын түсінуде маңызды қадам болды және толқын-бөлшектік дуализм тұжырымының қалыптасуына әсер етті. Жарық электр зарядтарының қозғалысына әсер ететін басқа құбылыстарға фотоөткізгіштік эффектісі, фотоэлектрлік эффектісі және фотоэлектрохимиялық эффектісі жатады.
The photoelectric effect is the emission of electrons from a material caused by electromagnetic radiation (light). Electrons emitted in this manner are called photoelectrons. The phenomenon is studied in condensed matter physics, solid state, and quantum chemistry to draw inferences about the properties of atoms, molecules and solids. The effect has found use in electronic devices specialized for light detection and precisely timed electron emission. The experimental results disagree with classical electromagnetism, which predicts that continuous light waves transfer energy to electrons, which would then be emitted when they accumulate enough energy. An alteration in the intensity of light would theoretically change the kinetic energy of the emitted electrons, with sufficiently dim light resulting in a delayed emission. The experimental results instead show that electrons are dislodged only when the light exceeds a certain frequency—regardless of the light's intensity or duration of exposure. Because a low frequency beam at a high intensity does not build up the energy required to produce photoelectrons, as would be the case if light's energy accumulated over time from a continuous wave, Albert Einstein proposed that a beam of light is not a wave propagating through space, but a swarm of discrete energy packets, known as photons—term coined by Gilbert N. Lewis in 1926. Emission of conduction electrons from typical metals requires a few electron volt (eV) light quanta, corresponding to short wavelength visible or ultraviolet light. In extreme cases, emissions are induced with photons approaching zero energy, like in systems with negative electron affinity and the emission from excited states, or a few hundred keV photons for core electrons in elements with a high atomic number. Study of the photoelectric effect led to important steps in understanding the quantum nature of light and electrons and influenced the formation of the concept of wave–particle duality. Other phenomena where light affects the movement of electric charges include the photoconductive effect, the photovoltaic effect, and the photoelectrochemical effect.
Эмиссиялық механизм
Жарық сәулесінің фотондарының фотон энергиясы деп аталатын ерекше энергиясы болады, ол жарықтың жиілігіне пропорционалды. Фотоэмиссия процесінде, материалдың ішіндегі электрон фотонның энергиясын сіңіріп алып, байланысу энергиясынан артық энергияға ие болғанда, оның шығарылуы мүмкін. Егер фотон энергиясы тым төмен болса, электрон материалдан қашып шыға алмайды. Төмен жиілікті жарықтың қарқындылығын арттыру төмен энергиялы фотондардың санын ғана көбейтеді, сондықтан қарқындылықтың өзгеруі электронды босатуға жеткілікті энергиясы бар бір фотонды жасамайды. Сонымен қатар, шығарылған электрондардың энергиясы белгілі бір жиіліктің кіріс жарығының қарқындылығына емес, тек жеке фотондардың энергиясына байланысты болады. Бос электрондар сәулеленген кезде, Комптон эффектісі сияқты бірден қайта сәулеленуге ұшыраса, кез келген энергияны сіңіре алады, ал кванттық жүйелерде бір фотоннан барлық энергия сіңіріледі – егер процеске кванттық механика рұқсат берсе – немесе мүлдем сіңірілмейді. Сіңірілген энергияның бір бөлігі электронды атомдық байланыстан босатуға жұмсалады, ал қалғаны электронның еркін бөлшек ретіндегі кинетикалық энергиясына үлеседі. Материалдағы электрондар әртүрлі байланысу энергиялары бар көптеген кванттық күйлерде болады және материалдан шығу кезінде энергия жоғалтуы мүмкін болғандықтан, шығарылған электрондардың кинетикалық энергиясы әртүрлі диапазонды болады. Ең жоғары орналасқан күйдегі электрондардың кинетикалық энергиясы ең жоғары болады. Металдарда бұл электрондар Ферми деңгейінен шығарылады. Егер фотоэлектрон вакуумға емес, қатты денеге шығарылса, онда ішкі фотоэмиссия термині жиі қолданылады, ал вакуумға шығару сыртқы фотоэмиссия деп аталады.
Фотоэлектрлік эмиссияны тәжірибелік бақылау
Фотоэмиссия кез келген материалдан туындауы мүмкін, бірақ ол металдар мен басқа да тоқ өткізгіштерде жақсы байқалады. Бұл процесс зарядтардың тепе-теңдігін бұзады, егер ток ағынымен теңестірілмесе, эмиссия толығымен тоқтағанға дейін потенциалдық кедергінің артуына алып келеді. Металл беттеріндегі өткізбейтін оксид қабаттары фотоэмиссияға кедергісін арттырады, сондықтан фотоэлектрлік эффектіге негізделген көптеген тәжірибелер мен құрылғыларда эвакуацияланған түтіктерде таза металл беттері қолданылады. Вакуум электрондарды байқауға көмектеседі, себебі ол газдардың электродтар арасындағы қозғалысына кедергі келтірмейді. Күн сәулесі атмосфераның сіңіруіне байланысты жеткілікті ультракөк сәуле шығармайды, сондықтан ультракөк сәулелерге бай сәулелер магнийді өртеу арқылы немесе доғалық шамнан алынды. Қазіргі уақытта сынап бу шамдары, инертті газдардың разрядтық УФ-шамдары, радиожиілікті плазма көздері, ультракөк лазерлер және синхротронның кірістіру құрылғысы жарық көздері кеңінен қолданылады. Фотоэлектрлік эффектіні байқауға арналған классикалық құрылымға жарық көзі, жарықты монохроматтауға арналған сүзгілер жиынтығы, ультракөк сәулеге өткізгіш вакуумдық түтік, жарыққа ұшыраған (E) эмитерлік электрод және сыртқы түрде басқарылатын кернеуі VC коллектор (C) кіреді. Фотоэмиттелген электрондарды коллекторға бағыттау үшін оң сыртқы кернеу қолданылады. Егер түсетін сәулеленудің жиілігі мен қарқындылығы тұрақты болса, оң кернеудің артуымен I фотоэлектрлік тогы артады, өйткені көбірек электрондар электродқа бағытталады. Қосымша фотоэлектрондарды жинау мүмкін болмағанда, фотоэлектрлік тогы қанығу мәніне жетеді. Бұл ток тек жарықтың қарқындылығының артуымен ғана өсе алады. Теріс кернеудің артуы ең жоғары энергиялы электрондардан басқа барлық электрондардың коллекторға жетуіне кедергі келтіреді. Егер түтік арқылы ток байқалмаса, теріс кернеу кинетикалық энергиясы Kmax ең жоғары энергиялы фотоэлектрондарды баяулатуға және тоқтатуға жеткілікті мәнге жеткен. Бұл кернеуді тоқтату кернеуі немесе кесу потенциалы Vo деп атайды. Электронды тоқтату үшін тоқтату потенциалы атқаратын жұмыс eVo болғандықтан, eVo = Kmax теңдеуі орындалуы керек. Ток-кернеу қисығы сигмоид тәрізді, бірақ оның нақты пішіні эксперименттік геометрияға және электрод материалының қасиеттеріне байланысты. Белгілі бір металл беті үшін, фотоэлектрондар эмиссияланбайтын ең төменгі жиілік болады. Бұл жиілік шекті жиілік деп аталады. Түсетін сәуленің жиілігін арттыру эмиссияланған фотоэлектрондардың ең жоғары кинетикалық энергиясын арттырады, ал тоқтату кернеуі де артуы керек. Эмиссияланған электрондардың саны да өзгеруі мүмкін, өйткені әрбір фотонның эмиссияланған электронға айналу ықтималдығы фотон энергиясының функциясы болып табылады. Бір монокроматикалық жарықтың қарқындылығының артуы (қарқындылық тым жоғары болмаса), белгілі бір уақытта бетке түсетін фотондардың санына пропорционалды, электрондардың эмиссиялану жылдамдығын арттырады – фотоэлектрлік тогы I, бірақ фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы мен тоқтату кернеуі өзгеріссіз қалады. Белгілі бір металл және түсетін сәулелену жиілігі үшін, фотоэлектрондардың эмиссиялану жылдамдығы түсетін жарықтың қарқындылығына тура пропорционал. Сәулеленудің түсуі мен фотоэлектронның эмиссиялануы арасындағы уақыт кешігуі өте аз, 10−9 секундтан кем. Фотоэлектрондардың бұрыштық таралуы түсетін жарықтың поляризациясына (электр өрісінің бағыты) және сондай-ақ эмиссиялайтын материалдың кванттық қасиеттеріне, мысалы атомдық және молекулалық орбиталық симметрияларға және кристалдық қатты денелердің электрондық жолақты құрылымына күшті түрде байланысты. Макроскопиялық ретсіз материалдарда электрондардың таралуы сызықтық поляризацияланған жарықтың поляризация бағытында ең жоғары деңгейге жетеді. Материалдың қасиеттерін анықтау үшін осы таралуларды өлшейтін тәжірибелік техника бұрыштық ажыратымды фотоэмиссиялық спектроскопия болып табылады.
Атомдардан, молекулалардан және қатты денелерден фотоэмиссия
Атомдар, молекулалар және қатты денелердегі байланысқан электрондардың әрқайсысы нақты анықталған байланысу энергиясының ерекше күйлерін иеленеді. Жарық кванттары жеке электронға осы энергиядан артық энергия жеткізгенде, электрон бос кеңістікке байланысу энергиясынан жоғары артық (кинетикалық) энергиямен шығарылуы мүмкін. Осылайша, кинетикалық энергиялардың таралуы атомдық, молекулалық немесе кристалдық жүйедегі электрондардың байланысу энергияларының таралуын көрсетеді: байланысу энергиясының күйіндегі электрон кинетикалық энергияда табылады. Бұл таралу кванттық жүйенің маңызды сипаттамаларының бірі болып табылады және кванттық химия мен кванттық физика салаларындағы толыққанды зерттеулер үшін қолданылуы мүмкін.
Қатты денелерден фотоэмиссияның модельдері
Реттелген, кристалдық қатты денелердің электрондық қасиеттері электрондық күйлердің энергия мен импульсқа қатысты таралуымен анықталады. Қатты денелердің фотоэмиссиясының теориялық модельдері бұл таралудың фотоэлектрлік әсерде көбінесе сақталады екенін көрсетеді. Ультракүлгін және жұмсақ рентген сәулелерін қоздырудың феноменологиялық үш сатылы моделі әсерді мынадай қадамдарға бөледі: Материалдың ішкі бөлігіндегі ішкі фотоэлектрлік әсер, ол толтырылған және бос электрондық күйлер арасындағы тікелей оптикалық өту. Бұл әсер дипольдік өтулер үшін кванттық-механикалық таңдау ережелеріне бағынады. Электрон қалдырған тесік екінші электрондық эмиссияны немесе Аугер эффектісін тудыруы мүмкін, ол бастапқы фотоэлектрон материалдан шықпаған кезде де байқалуы мүмкін. Молекулалық қатты денелерде бұл қадамда фонондар қозады және соңғы электрон энергиясында серіктейтін сызықтар түрінде көрінуі мүмкін. Электрондардың қатты дененің басқа құрамдас бөліктерімен өзара әрекеттесуі салдарынан кейбір электрондардың бетке таралуы. Қатты дененің тереңінен шыққан электрондардың соқтығысуға ұшырауы және өзгерген энергиямен және импульспен пайда болуы ықтимал. Олардың орташа еркін жүріс жолы – электронның энергиясына тәуелді әмбебап қисық. Электрондардың беттік кедергі арқылы вакуумға ұқсас еркін электрондық күйлерге қашуы. Бұл қадамда электрон беттің жұмыс функциясының мөлшеріне тең энергияны жоғалтады және бетке перпендикуляр бағытта импульс жоғалтады. Қатты денедегі электрондардың байланыс энергиясы Ферми энергиясының ең жоғары толтырылған күйіне қатысты ыңғайлы түрде берілгендіктен, ал бос кеңістіктегі (вакуумдағы) энергияның айырмасы беттің жұмыс функциясы болғандықтан, қатты денелерден шығарылатын электрондардың кинетикалық энергиясы әдетте былай жазылады. Үш сатылы модель фотоэлектрондық интенсивтілік таратуларының ерекшеліктерін түсіндіре алмайтын жағдайлар бар. Көбірек жетілдірілген бір сатылы модель әсерді шекті кристалдың соңғы күйіне фотоқоздырудың байланысты процесі ретінде қарастырады, оның толқындық функциясы кристалдың сыртындағыдай еркін электрондық, бірақ ішінде ыдырайтын орташаға ие. Фотоэлектрлік әсерге тең болмаса да, оның фотовольтаика жөніндегі жұмысы жарық пен материалдардың электрондық қасиеттері арасындағы тығыз байланысты көрсетуге көмектесті. 1873 жылы Виллоуби Смит селенде фотоөткізгіштікті ашты, оның металл қасиеттерін жоғары кедергіге тестілеу кезінде, су асты телеграф кабельдерімен айналысқан жұмысымен байланысты. Иоганн Элстер (1854–1920) және Ханс Гайтель (1855–1923), Гейдельбергтегі студенттер жарықтың электрленген денелерге тигізетін әсерін зерттеді және жарықтың қарқындылығын өлшеуге болатын алғашқы практикалық фотоэлектрлік жасушаларды жасады. Олар металдарды теріс электр қуатын шығару қабілетіне қарай орналастырды: рубидий, калий, калий мен натрий қорытпасы, натрий, литий, магний, таллий және мырыш; мыс, платина, қорғасын, темір, кадмий, көміртек және сынап үшін әсерлері қарапайым жарықпен өлшеуге тым аз болды. Бұл әсерге металдардың реті Вольтаның контактілік электр сериясындағыдай болды, ең электропозитивті металдар ең үлкен фотоэлектрлік әсерді береді. 1887 жылы Генрих Герц фотоэлектрлік әсерді байқап, электромагниттік толқындардың пайда болуы мен қабылдануы туралы хабарлады. Оның аппаратындағы қабылдағыш, электромагниттік толқындарды анықтағанда, бір ұшқынды көруге болатын, ұшқындық аралықпен жабдықталған катушкадан тұрды. Ол бұл құрылғыны жарық сәулесін жақсырақ көру үшін қараңғы қорапқа орналастырды. Алайда ол қораптың ішінде тұтанудың ең ұзын ұзындығы қысқаратынын байқады. Электромагниттік толқындар көзі мен қабылдағыштың арасында орналасқан шыны панель электрондардың аралықтан секіруіне көмектесетін ультракүлгін сәулесін сіңіреді. Алып тасталғанда, ұшқын ұзындығы артады. Ол шыныны кварцпен ауыстырған кезде ұшқын ұзындығының азаюын байқамады, өйткені кварц УФ-сәулесін сіңіре алмайды. Герцтің ашылуы Вильгельм Холвакс, Хур, Аугусто Риги және Александр Столетовтың жарықтың, әсіресе ультракүлгін сәуленің зарядталған денелерге тигізетін әсері туралы бірқатар зерттеулеріне әкелді. Hallwachs мырыш пластинасын электроскопқа қосып қойды. Ол ультракүлгін сәулесін жаңа тазаланған мырыш табағына түсіруге мүмкіндік берді және мырыш табағы бастапқыда теріс зарядталған жағдайда зарядталмағанын, бастапқыда зарядталмаған жағдайда оң зарядталғандығын, ал бастапқыда оң зарядталған жағдайда одан да оң зарядталғандығын байқады. Осы байқаулардан ол мырыш табағына ультракүлгін сәуле түскен кезде кейбір теріс зарядталған бөлшектер шығарылатынын қорытты. Герц әсеріне қатысты, зерттеушілер бастапқыда фотоэлектрлік шаршау құбылысының күрделілігін көрсетті – жаңа металл беттерінде байқалған әсердің прогрессивті азаюы. Hallwachs-қа сәйкес, озон бұл құбылыста маңызды рөл атқарады, ал эмиссияны тотығу, ылғалдылық және беттің жылтырлығы әсер етеді. Шаршау вакуумда жоқ екені сол кезде белгісіз болды. 1888 жылдан 1891 жылға дейін фотоэффекттің егжей-тегжейлі талдауы Александр Столетов жүргізді, нәтижелері алты жарияланымда баяндалды. ал O. Knoblauch осы заттардың тізімін жасады. 1897 жылы Дж. Дж. Томсон Крукстың түтікшелерінде ультракүлгін сәулені зерттеді. Томсон шығарылған бөлшектердің, ол корпускула деп атаған, катод сәулелерімен бірдей екенін анықтады. Бұл бөлшектер кейінірек электрондар деп аталды. Томсон металл пластинаны (катодты) вакуумдық түтікшеге орналастырып, оны жоғары жиілікті сәулелендіруге ұсынды. Осылайша атомдардың өрісі резонансқа түсіп, белгілі бір амплитудаға жеткеннен кейін, атомдық корпускулалар эмиссияланып, ток анықталады деп есептелді. Бұл токтың мөлшері сәулелендірудің қарқындылығы мен түсіне байланысты өзгереді. Сәулелендірудің қарқындылығы немесе жиілігі жоғары болса, ток көбірек шығады. 1886–1902 жылдары Вильгельм Холвакс және Филипп Ленард фотоэлектрлік эмиссия құбылысын егжей-тегжейлі зерттеді. Ленард ультракүлгін сәуле түскен кезде екі электродтан тұратын эвакуацияланған шыны түтікше арқылы ток ағатынын байқады. Ультракүлгін сәуле тоқтатылған кезде ток та тоқтатылады. Бұл фотоэлектрлік эмиссия тұжырымын қалыптастырды. Газдардың ультракүлгін сәулемен иондануы 1900 жылы Филипп Ленард жасады. Әсер бірнеше сантиметр ауа арқылы жүргізілді және теріс қарағанда көбірек оң иондар берді, бұл құбылысты Дж. Дж. Томсон сияқты Герц әсері ретінде түсіндіру оңай болды. Бұл Максвеллдің жарық толқындық теориясына қайшы келді, ол электрон энергиясының сәулелендіру қарқындылығына пропорционал болатынын болжады. Ленард электрон энергиясының жарық жиілігімен өзгеруін зерттеді, қуатты электр шамды пайдаланды, бұл оған қарқындылықтың үлкен өзгерістерін зерттеуге мүмкіндік берді. Алайда Ленардтың нәтижелері сандық емес, сапалы болды, себебі эксперимент жүргізу қиын болды: эксперименттер таза металды байқау үшін жаңадан кесілген металлмен жүргізілуі керек болды, бірақ ол тіпті қолданылған жартылай вакуумда да бірнеше минут ішінде тотыға бастады. Беттен шығарылған ток жарықтың қарқындылығына немесе жарықтығына байланысты болды: жарықтың қарқындылығы екі есе артса, беттен шығарылған электрондардың саны да екі есе артады. Ленардтың газдардағы фотоэффектіге жасаған алғашқы зерттеулерін Дж. Дж. Томсон және кейін Фредерик Палмер кіші жалғастырды. Газдық фотоэмиссия зерттелді және Ленардтың бастапқыда оған жатқызған сипаттамаларынан өте өзгеше екені көрсетілді. қағаз...
Inner photoelectric effect in the bulk of the material that is a direct optical transition between an occupied and an unoccupied electronic state. This effect is subject to quantum mechanical selection rules for dipole transitions. The hole left behind the electron can give rise to secondary electron emission, or the so called Auger effect, which may be visible even when the primary photoelectron does not leave the material. In molecular solids phonons are excited in this step and may be visible as satellite lines in the final electron energy. Electron propagation to the surface in which some electrons may be scattered because of interactions with other constituents of the solid. Electrons that originate deeper in the solid are much more likely to suffer collisions and emerge with altered energy and momentum. Their mean free path is a universal curve dependent on electron's energy. Electron escape through the surface barrier into free electron like states of the vacuum. In this step the electron loses energy in the amount of the work function of the surface, and suffers from the momentum loss in the direction perpendicular to the surface. Because the binding energy of electrons in solids is conveniently expressed with respect to the highest occupied state at the Fermi energy , and the difference to the free space (vacuum) energy is the work function of the surface, the kinetic energy of the electrons emitted from solids is usually written as
There are cases where the three step model fails to explain peculiarities of the photoelectron intensity distributions. The more elaborate one step model treats the effect as a coherent process of photoexcitation into the final state of a finite crystal for which the wave function is free electron like outside of the crystal, but has a decaying envelope inside. Though not equivalent to the photoelectric effect, his work on photovoltaics was instrumental in showing a strong relationship between light and electronic properties of materials. In 1873, Willoughby Smith discovered photoconductivity in selenium while testing the metal for its high resistance properties in conjunction with his work involving submarine telegraph cables. Johann Elster (1854–1920) and Hans Geitel (1855–1923), students in Heidelberg, investigated the effects produced by light on electrified bodies and developed the first practical photoelectric cells that could be used to measure the intensity of light. They arranged metals with respect to their power of discharging negative electricity: rubidium, potassium, alloy of potassium and sodium, sodium, lithium, magnesium, thallium and zinc; for copper, platinum, lead, iron, cadmium, carbon, and mercury the effects with ordinary light were too small to be measurable. The order of the metals for this effect was the same as in Volta's series for contact electricity, the most electropositive metals giving the largest photo electric effect. In 1887, Heinrich Hertz observed the photoelectric effect and reported on the production and reception of electromagnetic waves. The receiver in his apparatus consisted of a coil with a spark gap, where a spark would be seen upon detection of electromagnetic waves. He placed the apparatus in a darkened box to see the spark better. However, he noticed that the maximum spark length was reduced when inside the box. A glass panel placed between the source of electromagnetic waves and the receiver absorbed ultraviolet radiation that assisted the electrons in jumping across the gap. When removed, the spark length would increase. He observed no decrease in spark length when he replaced the glass with quartz, as quartz does not absorb UV radiation. The discoveries by Hertz led to a series of investigations by Wilhelm Hallwachs, Hoor, Augusto Righi and Aleksander Stoletov on the effect of light, and especially of ultraviolet light, on charged bodies. Hallwachs connected a zinc plate to an electroscope. He allowed ultraviolet light to fall on a freshly cleaned zinc plate and observed that the zinc plate became uncharged if initially negatively charged, positively charged if initially uncharged, and more positively charged if initially positively charged. From these observations he concluded that some negatively charged particles were emitted by the zinc plate when exposed to ultraviolet light. With regard to the Hertz effect, the researchers from the start showed the complexity of the phenomenon of photoelectric fatigue—the progressive diminution of the effect observed upon fresh metallic surfaces. According to Hallwachs, ozone played an important part in the phenomenon, and the emission was influenced by oxidation, humidity, and the degree of polishing of the surface. It was at the time unclear whether fatigue is absent in a vacuum. In the period from 1888 until 1891, a detailed analysis of the photoeffect was performed by Aleksandr Stoletov with results reported in six publications. and O. Knoblauch compiled a list of these substances. In 1897, J. J. Thomson investigated ultraviolet light in Crookes tubes. Thomson deduced that the ejected particles, which he called corpuscles, were of the same nature as cathode rays. These particles later became known as the electrons. Thomson enclosed a metal plate (a cathode) in a vacuum tube, and exposed it to high frequency radiation. It was thought that the oscillating electromagnetic fields caused the atoms' field to resonate and, after reaching a certain amplitude, caused subatomic corpuscles to be emitted, and current to be detected. The amount of this current varied with the intensity and color of the radiation. Larger radiation intensity or frequency would produce more current. During the years 1886–1902, Wilhelm Hallwachs and Philipp Lenard investigated the phenomenon of photoelectric emission in detail. Lenard observed that a current flows through an evacuated glass tube enclosing two electrodes when ultraviolet radiation falls on one of them. As soon as ultraviolet radiation is stopped, the current also stops. This initiated the concept of photoelectric emission. The discovery of the ionization of gases by ultraviolet light was made by Philipp Lenard in 1900. As the effect was produced across several centimeters of air and yielded a greater number of positive ions than negative, it was natural to interpret the phenomenon, as J. J. Thomson did, as a Hertz effect upon the particles present in the gas. This appeared to be at odds with Maxwell's wave theory of light, which predicted that the electron energy would be proportional to the intensity of the radiation. Lenard observed the variation in electron energy with light frequency using a powerful electric arc lamp which enabled him to investigate large changes in intensity. However, Lenard's results were qualitative rather than quantitative because of the difficulty in performing the experiments: the experiments needed to be done on freshly cut metal so that the pure metal was observed, but it oxidized in a matter of minutes even in the partial vacuums he used. The current emitted by the surface was determined by the light's intensity, or brightness: doubling the intensity of the light doubled the number of electrons emitted from the surface. Initial investigation of the photoelectric effect in gasses by Lenard were followed up by J. J. Thomson and then more decisively by Frederic Palmer Jr. The gas photoemission was studied and showed very different characteristics than those at first attributed to it by Lenard. paper that the energy carried by electromagnetic waves could only be released in packets of energy. In 1905, Albert Einstein published a paper advancing the hypothesis that light energy is carried in discrete quantized packets to explain experimental data from the photoelectric effect. Einstein theorized that the energy in each quantum of light was equal to the frequency of light multiplied by a constant, later called the Planck constant. A photon above a threshold frequency has the required energy to eject a single electron, creating the observed effect. This was a step in the development of quantum mechanics. In 1914, Robert A. Millikan's highly accurate measurements of the Planck constant from the photoelectric effect supported Einstein's model, even though a corpuscular theory of light was for Millikan, at the time, "quite unthinkable". Einstein was awarded the 1921 Nobel Prize in Physics for "his discovery of the law of the photoelectric effect", and Millikan was awarded the Nobel Prize in 1923 for "his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect". In quantum perturbation theory of atoms and solids acted upon by electromagnetic radiation, the photoelectric effect is still commonly analyzed in terms of waves; the two approaches are equivalent because photon or wave absorption can only happen between quantized energy levels whose energy difference is that of the energy of photon. The paper proposed a simple description of energy quanta, and showed how they explained the blackbody radiation spectrum. His explanation in terms of absorption of discrete quanta of light agreed with experimental results. It explained why the energy of photoelectrons was not dependent on incident light intensity. This was a theoretical leap, but the concept was strongly resisted at first because it contradicted the wave theory of light that followed naturally from James Clerk Maxwell's equations of electromagnetism, and more generally, the assumption of infinite divisibility of energy in physical systems. Einstein's work predicted that the energy of individual ejected electrons increases linearly with the frequency of the light. The precise relationship had not at that time been tested. By 1905 it was known that the energy of photoelectrons increases with increasing frequency of incident light and is independent of the intensity of the light. However, the manner of the increase was not experimentally determined until 1914 when Millikan showed that Einstein's prediction was correct. as the energy of the emitted electrons did not depend on the intensity of the incident radiation. Classical theory predicted that the electrons would 'gather up' energy over a period of time, and then be emitted.
Фотокөбейтуші
Бұл өте жарыққа сезімтал вакуумдық түтікшелер, олардың құбыршасының ішінде жабынған фотокатод орналасқан. Фотокатодта цезий, рубидий және антимон сияқты материалдардың арнайы таңдалған комбинациялары бар, олардың жұмыс функциясы төмен болуы үшін жасалған, сондықтан тіпті өте аз жарықпен жарықтандырылғанда да фотокатод электрондарды оңай босатады. Электрондар бірнеше электродтар (динодтар) арқылы, олардың потенциалы жоғарылап отырады, үдетіліп, екіншілік эмиссия арқылы олардың саны күрт көбейтіледі, нәтижесінде анықтауға оңай келетін шығыс тогы пайда болады. Фотокөбейтушілер әлі де жарық деңгейі өте төмен болған жерлерде кеңінен қолданылады.
Сурет сенсорлары
Теледидардың алғашқы жылдарында бейнекамералар фотоэлектрлік эффектіні пайдаланды. Мысалы, Фило Фарнсворттың "Кескінді талдағышы" фотоэлектрлік эффект арқылы зарядталған экранды қолданып, оптикалық кескінді сканерленген электрондық сигналға түрлендірді.
Фотоэлектрондық спектроскопия
Шығарылған электрондардың кинетикалық энергиясы түсетін фотонның энергиясынан атом, молекула немесе қатты денедегі электронның байланысу энергиясын қысқанға тең болғандықтан, байланысу энергиясын белгілі энергиясы бар монохроматикалық рентген сәулесі немесе ультракөк сәулесін бағыттап, фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясын өлшеу арқылы анықтауға болады. Концентрлі жарты шар анализаторы – электрон энергиясын анықтауға арналған стандартты құрал. Ол екі жарты шар арасындағы электр өрісін пайдаланып, түсетін электрондардың траекториясын олардың кинетикалық энергиясына қарай өзгертеді (таратып жібереді).
Түнгі көріністі құрылғылар
Кескінді күшейтуші түтіктегі сілтілі металдың немесе галлий арсениді сияқты жартылай өткізгіш материалдың жұқа қабатына түскен фотондар фотоэлектрлік эффектінің нәтижесінде фотоэлектрондардың шығарылуына себеп болады. Бұл фотоэлектрондар электростатикалық өріс арқылы үдетіліп, фосформен жабылған экранға соқтығысады, нәтижесінде электрондар қайтадан фотондарға айналады. Сигналдың күшеюі электронды үдету арқылы немесе электрондар санын екіншілік эмиссия арқылы, мысалы микроканалдық пластина арқылы арттыру арқылы жүзеге асырылады. Кейде екі әдіс те біріктіріліп қолданылады. Электронды өткізгіштік аймағынан шығарып, вакуум деңгейіне жылжыту үшін қосымша кинетикалық энергия талап етіледі. Бұл фотокатодтың электрондық туыстығы деп аталады және жолақтық аралық моделімен түсіндірілетін тыйым салынған аймақтан басқа, фотоэмиссияға кедергі келтіретін тағы бір фактор болып табылады. Галлий арсениді сияқты кейбір материалдардың электрондық туыстығы өткізгіштік аймақтың деңгейінен төмен болады. Мұндай материалдарда өткізгіштік аймағына өтетін электрондардың барлығы материалдан шығуға жеткілікті энергияға ие, сондықтан фотондарды сіңіретін қабық қалың болуы мүмкін. Бұл материалдар теріс электрондық туыстығы бар материалдар деп аталады.
Ғарыш кемесі
Фотоэлектрлік әсер күн сәулесіне ұшыраған ғарыш кемесінде оң зарядтың пайда болуына себеп болады. Бұл маңызды мәселе болуы мүмкін, себебі ғарыш кемесінің басқа бөліктері көлеңкеде болады, нәтижесінде жақын орналасқан плазмадан теріс заряд жиналады. Бұл теңгерімсіздік нәзік электр компоненттері арқылы разрядқа алып келуі мүмкін. Фотоэлектрлік әсердің нәтижесінде туындаған статикалық заряд өзін-өзі шектейді, өйткені жоғары зарядталған дене төмен зарядталған денеге қарағанда электрондарын оңайрақ беріп қоймайды.
Ай шаңы
Күн сәулесі Ай шаңына тиген кезде фотоэлектрлік эффектінің нәтижесінде оң заряд алады. Зарядталған шаң өзін-өзі итермелеп, электростатикалық левитация арқылы Ай бетінен көтеріледі. Бұл жұқа тұман және алыстағы бейнелердің бүркісі ретінде көрінетін, "шаң атмосферасы" сияқты болып көрінеді, сондай-ақ күн батқаннан кейін әлсіз жарқырау ретінде де байқалады. Бұл құбылыс алғаш рет 1960 жылдары Surveyor бағдарламасының ғарыш зондтарымен фотоға түсірілді, ал соңғы кезде Chang'e 3 марсоходы Ай тастарындағы шаңның 28 см-ге дейін жиналғанын анықтады. Ең ұсақ бөлшектердің беттен шақырымдар қашықтыққа итеріліп шығатыны және олар зарядтала келіп, босағанда "ағындар" түрінде қозғалатыны болжануда.
Бәсекелесетін процестер мен фотоэмиссиялық қима
Фотон энергиясы электрондардың тынығу энергиясының 511-ге тең болғанда, тағы бір процесс – Комптон шашырауы орын алуы мүмкін. Бұл энергияның екі еседен жоғары, яғни 1,022 болғанда, жұптардың пайда болуы да ықтималрақ. Комптон шашырауы және жұптардың пайда болуы – екі бәсекелес механизмнің мысалдары. Фотоэлектрлік әсер бір фотонның байланған электронмен өзара әрекеттесуі үшін артықшылықты реакция болғанымен, нәтиже кванттық статистикаға бағынады және кепілдендірілмейді. Фотоэлектрлік әсердің орын алу ықтималдығы өзара әрекеттесудің көлденең қимасы, σ арқылы өлшенеді. Бұл мақсатты атомның атомдық саны мен фотон энергиясының функциясы болып табылды. Шамамен алғанда, фотон энергиясы ең жоғары атомдық байланысу энергиясынан асып кеткенде, көлденең қима былай беріледі:
Мұнда Z – атомдық сан, ал n – 4 пен 5 аралығында өзгеретін сан. Фотоэлектрлік эффект спектрдің гамма-сәуле аймағында фотон энергиясының артуымен маңыздылығы тез төмендейді. Сондай-ақ, ол атомдық саны жоғары элементтер үшін орын алуы ықтимал. Осылайша, жоғары Z материалдары гамма-сәулелерін жақсы қорғайды, және осы себепті қорғасын (Z = 82) артықшылықты және ең көп қолданылатын материал болып табылады.