Введение

Выброс электронов при попадании света на материал

Фотоэлектрический эффект – это эмиссия электронов из материала, вызванная электромагнитным излучением (светом). Электроны, испускаемые таким образом, называются фотоэлектронами. Это явление изучается в физике конденсированного состояния, физике твердого тела и квантовой химии для получения информации о свойствах атомов, молекул и твердых тел. Эффект нашел применение в электронных устройствах, предназначенных для детектирования света и точного управления эмиссией электронов. Экспериментальные результаты противоречат классической электромагнетике, которая предсказывает, что непрерывные световые волны передают энергию электронам, которые затем испускаются, когда накапливают достаточно энергии. Изменение интенсивности света теоретически должно было бы изменять кинетическую энергию испускаемых электронов, при этом достаточно слабый свет приводил бы к задержке эмиссии. Однако, экспериментальные результаты показывают, что электроны выбиваются только тогда, когда частота света превышает определенное значение, независимо от интенсивности света или времени экспозиции. Поскольку луч низкой частоты с высокой интенсивностью не способен накопить энергию, необходимую для создания фотоэлектронов, как это было бы в случае, если бы энергия света накапливалась со временем от непрерывной волны, Альберт Эйнштейн предположил, что луч света – это не волна, распространяющаяся в пространстве, а рой дискретных энергетических пакетов, известных как фотоны – термин, введенный Гилбертом Н. Льюисом в 1926 году. Для эмиссии электронов проводимости из типичных металлов требуются световые кванты в несколько электронвольт (эВ), соответствующие коротковолновому видимому или ультрафиолетовому свету. В крайних случаях эмиссия индуцируется фотонами, энергия которых приближается к нулю, например, в системах с отрицательным электронным сродством и при эмиссии из возбужденных состояний, или несколькими сотнями килоэлектронвольт (кэВ) для электронов внутренних оболочек в элементах с высоким атомным номером. Изучение фотоэлектрического эффекта привело к важным шагам в понимании квантовой природы света и электронов и повлияло на формирование концепции волново-частичного дуализма. Другие явления, при которых свет влияет на движение электрических зарядов, включают фотопроводящий эффект, фотовольтаический эффект и фотоэлектрохимический эффект.

Механизм выброса

Фотоны светового луча обладают характерной энергией, называемой энергией фотона, которая пропорциональна частоте света. В процессе фотоэмиссии, когда электрон в некотором материале поглощает энергию фотона и приобретает энергию, превышающую его энергию связи, он, скорее всего, будет выбит. Если энергия фотона слишком мала, электрон не сможет покинуть материал. Поскольку увеличение интенсивности низкочастотного света лишь увеличивает число фотонов с низкой энергией, это изменение интенсивности не создаст ни одного фотона, обладающего достаточной энергией для выбивания электрона. Более того, энергия испускаемых электронов не будет зависеть от интенсивности падающего света заданной частоты, а только от энергии отдельных фотонов. В то время как свободные электроны могут поглощать любую энергию при облучении, если за этим следует немедленная переэмиссия, как в эффекте Комптона, в квантовых системах вся энергия от одного фотона поглощается – если этот процесс допускается квантовой механикой – или не поглощается вовсе. Часть поглощенной энергии расходуется на освобождение электрона от атомного связывания, а остальная часть переходит в кинетическую энергию электрона как свободной частицы. Поскольку электроны в материале занимают множество различных квантовых состояний с разными энергиями связи, и поскольку они могут испытывать потери энергии на пути из материала, испускаемые электроны будут иметь широкий спектр кинетических энергий. Электроны из наивысших занятых состояний будут обладать наибольшей кинетической энергией. В металлах эти электроны будут испускаться с уровня Ферми. Когда фотоэлектрон испускается в твердое тело, а не в вакуум, часто используется термин «внутренняя фотоэмиссия», а эмиссия в вакуум называется «внешняя фотоэмиссия».

Экспериментальное наблюдение фотоэлектрического излучения

Хотя фотоэмиссия может возникать из любого материала, она наиболее легко наблюдается в металлах и других проводниках. Это связано с тем, что процесс приводит к дисбалансу заряда, который, если не нейтрализуется потоком тока, приводит к увеличению потенциального барьера до полного прекращения эмиссии. Энергетический барьер для фотоэмиссии обычно увеличивается непроводящими оксидными слоями на металлических поверхностях, поэтому большинство практических экспериментов и устройств, основанных на фотоэлектрическом эффекте, используют чистые металлические поверхности в эвакуированных трубках. Вакуум также облегчает наблюдение электронов, предотвращая препятствие потоку газов между электродами. Поскольку солнечный свет, вследствие поглощения атмосферой, содержит мало ультрафиолетового излучения, свет, богатый ультрафиолетовыми лучами, ранее получали путем сжигания магния или с помощью дуговой лампы. В настоящее время преобладают ртутные лампы, УФ-лампы с возбуждением благородных газов и радиочастотные плазменные источники, ультрафиолетовые лазеры и источники света на основе устройств вставки в синхротрон. Классическая установка для наблюдения фотоэлектрического эффекта включает в себя источник света, набор фильтров для монохроматизации света, вакуумную трубку, прозрачную для ультрафиолетового излучения, излучающий электрод (E), освещаемый светом, и коллектор (C), напряжение VC которого можно контролировать внешним образом. Положительное внешнее напряжение используется для направления фотоэмитированных электронов на коллектор. Если частота и интенсивность падающего излучения фиксированы, фотоэлектрический ток I увеличивается с ростом положительного напряжения, поскольку все больше электронов направляются на электрод. Когда дополнительные фотоэлектроны не могут быть собраны, фотоэлектрический ток достигает значения насыщения. Этот ток может увеличиваться только с ростом интенсивности света. Увеличение отрицательного напряжения препятствует достижению коллектора всем электронам, кроме самых энергичных. Когда ток через трубку не наблюдается, отрицательное напряжение достигает значения, достаточного для замедления и остановки наиболее энергичных фотоэлектронов с кинетической энергией Kmax. Это значение замедляющего напряжения называется потенциалом остановки или пороговым потенциалом Vo. Поскольку работа, совершаемая замедляющим потенциалом при остановке электрона с зарядом e, равна eVo, должно выполняться следующее: eVo = Kmax. Кривая зависимости тока от напряжения имеет сигмоидальную форму, но ее точная форма зависит от экспериментальной геометрии и свойств материала электрода. Для данной металлической поверхности существует определенная минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговой частотой. Увеличение частоты падающего луча увеличивает максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов, и потенциал остановки должен возрастать. Количество испускаемых электронов также может изменяться, поскольку вероятность того, что каждый фотон приведет к испусканию электрона, является функцией энергии фотона. Увеличение интенсивности того же монохроматического света (до тех пор, пока интенсивность не станет слишком высокой), которое пропорционально числу фотонов, падающих на поверхность в единицу времени, увеличивает скорость испускания электронов – фотоэлектрический ток I – но кинетическая энергия фотоэлектронов и потенциал остановки остаются неизменными. Для данного металла и частоты падающего излучения скорость испускания фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Временная задержка между началом воздействия излучения и испусканием фотоэлектрона очень мала, менее 10−9 секунды. Угловое распределение фотоэлектронов сильно зависит от поляризации (направления электрического поля) падающего света, а также от квантовых свойств излучающего материала, таких как атомная и молекулярная орбитальная симметрия и зонная структура кристаллических твердых тел. В материалах, не обладающих макроскопическим порядком, распределение электронов имеет тенденцию к достижению максимума в направлении поляризации линейно поляризованного света. Экспериментальная техника, позволяющая измерять эти распределения для определения свойств материала, называется спектроскопией фотоэмиссии с угловым разрешением.

Фотоэмиссия от атомов, молекул и твердых тел

Электроны, связанные в атомах, молекулах и твердых телах, занимают различные состояния с четко определенными энергиями связи. Когда кванты света передают отдельному электрону энергию, превышающую эту энергию связи, электрон может быть выбит в свободное пространство с избыточной (кинетической) энергией, которая больше энергии связи этого электрона. Таким образом, распределение кинетических энергий отражает распределение энергий связи электронов в атомной, молекулярной или кристаллической системе: электрон, выбитый из состояния с энергией связи, обнаруживается при кинетической энергии. Это распределение является одной из основных характеристик квантовой системы и может быть использовано для дальнейших исследований в квантовой химии и квантовой физике.

Модели фотоэмиссии из твердых тел

Электронные свойства упорядоченных кристаллических твердых тел определяются распределением электронных состояний по отношению к энергии и импульсу — электронной зонной структурой твердого тела. Теоретические модели фотоэмиссии из твердых тел показывают, что это распределение в основном сохраняется в фотоэлектрическом эффекте. Феноменологическая трехступенчатая модель возбуждения ультрафиолетовым и мягким рентгеновским излучением раскладывает эффект на следующие этапы: внутренний фотоэлектрический эффект в объеме материала, являющийся прямым оптическим переходом между занятым и незанятым электронным состоянием. Этот эффект подчиняется квантово-механическим правилам отбора для дипольных переходов. Образовавшаяся дырка может приводить к вторичной эмиссии электронов или так называемому эффекту Аугера, который может быть виден даже тогда, когда первичный фотоэлектрон не покидает материал. В молекулярных твердых телах фононы возбуждаются на этом этапе и могут проявляться как спутниковые линии в энергии конечных электронов. Распространение электронов к поверхности, в процессе которого некоторые электроны могут рассеиваться из-за взаимодействия с другими компонентами твердого тела. Электроны, возникающие глубже в твердом теле, гораздо вероятнее подвергнутся столкновениям и выйдут с измененной энергией и импульсом. Их средняя длина свободного пробега представляет собой универсальную кривую, зависящую от энергии электрона. Вылет электрона через поверхностный барьер в свободноэлектронные состояния, подобные вакуумным. На этом этапе электрон теряет энергию, равную работе выхода поверхности, и испытывает потерю импульса в направлении, перпендикулярном поверхности. Поскольку энергия связи электронов в твердых телах удобно выражается относительно наивысшего занятого состояния на энергии Ферми, а разность до энергии свободного пространства (вакуума) является работой выхода поверхности, кинетическая энергия электронов, испускаемых из твердых тел, обычно записывается как. Существуют случаи, когда трехступенчатая модель не может объяснить особенности распределения интенсивности фотоэлектронов. Более сложная одноступенчатая модель рассматривает эффект как когерентный процесс фотовозбуждения в конечное состояние конечного кристалла, для которого волновая функция подобна свободному электрону вне кристалла, но имеет затухающую огибающую внутри. Хотя это не эквивалентно фотоэлектрическому эффекту, его работы в области фотоэлектричества сыграли важную роль в демонстрации тесной связи между светом и электронными свойствами материалов. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводность селена, испытывая металл на его высокое сопротивление в связи с его работой над подводными телеграфными кабелями. Иоганн Элстер (1854–1920) и Ханс Гайтель (1855–1923), студенты Гейдельбергского университета, исследовали влияние света на электризованные тела и разработали первые практические фотоэлектрические ячейки, которые можно было использовать для измерения интенсивности света. Они расположили металлы в соответствии с их способностью разряжать отрицательный электрический заряд: рубидий, калий, сплав калия и натрия, натрий, литий, магний, таллий и цинк; для меди, платины, свинца, железа, кадмия, углерода и ртути эффекты при обычном свете были слишком малы для измерения. Порядок металлов для этого эффекта был таким же, как в ряду Вольта для контактного электричества, наиболее электроположительные металлы давали наибольший фотоэлектрический эффект. В 1887 году Генрих Герц наблюдал фотоэлектрический эффект и сообщил о создании и приеме электромагнитных волн. Приемник в его аппарате состоял из катушки с искровым промежутком, где искра наблюдалась при обнаружении электромагнитных волн. Он поместил аппарат в затемненную коробку, чтобы лучше видеть искру. Однако он заметил, что максимальная длина искры уменьшалась внутри коробки. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала ультрафиолетовое излучение, которое помогало электронам перепрыгивать через промежуток. При ее удалении длина искры увеличивалась. Он не заметил уменьшения длины искры при замене стекла кварцем, поскольку кварц не поглощает УФ-излучение. Открытия Герца привели к серии исследований Вильгельма Халлвакса, Хура, Августо Риги и Александра Столетова об эффекте света, и особенно ультрафиолетового света, на заряженные тела. Халлвакс соединил цинковую пластину с электроскопом. Он направил ультрафиолетовый свет на свежеочищенную цинковую пластину и обнаружил, что пластина разряжается, если изначально заряжена отрицательно, заряжается положительно, если изначально не заряжена, и заряжается еще более положительно, если изначально заряжена положительно. Из этих наблюдений он заключил, что цинковая пластина испускает некоторые отрицательно заряженные частицы при воздействии ультрафиолетового света. В отношении эффекта Герца исследователи с самого начала показали сложность явления фотоэлектрической усталости — прогрессивного уменьшения эффекта, наблюдаемого на свежих металлических поверхностях. По словам Халлвакса, озон играл важную роль в этом явлении, а на эмиссию влияли окисление, влажность и степень полировки поверхности. В то время было неясно, отсутствует ли усталость в вакууме. В период с 1888 по 1891 год Александр Столетов провел детальный анализ фотоэффекта, результаты которого были опубликованы в шести работах, а О. Кноблох составил список этих веществ. В 1897 году Дж. Дж. Томсон исследовал ультрафиолетовый свет в трубках Крукса. Томсон предположил, что выброшенные частицы, которые он назвал корпускулами, имели ту же природу, что и катодные лучи. Эти частицы позже стали известны как электроны. Томсон поместил металлическую пластину (катод) в вакуумную трубку и подверг ее воздействию высокочастотного излучения. Считалось, что колеблющиеся электромагнитные поля заставляли поле атомов резонировать и, достигнув определенной амплитуды, вызывали испускание суб-атомных корпускул и обнаружение тока. Величина этого тока менялась в зависимости от интенсивности и цвета излучения. Большая интенсивность или частота излучения производили больше тока. В течение 1886–1902 годов Вильгельм Халлвакс и Филипп Ленард подробно исследовали явление фотоэлектронной эмиссии. Ленард обнаружил, что через эвакуированную стеклянную трубку, содержащую два электрода, течет ток, когда на один из них падает ультрафиолетовое излучение. Как только ультрафиолетовое излучение прекращается, ток также прекращается. Это положило начало концепции фотоэлектронной эмиссии. Открытие ионизации газов ультрафиолетовым светом было сделано Филиппом Ленардом в 1900 году. Поскольку эффект производился на протяжении нескольких сантиметров воздуха и давал большее количество положительных ионов, чем отрицательных, было естественно интерпретировать это явление, как это сделал Дж. Дж. Томсон, как эффект Герца на частицы, присутствующие в газе. Это, казалось, противоречило волновой теории света Максвелла, которая предсказывала, что энергия электрона будет пропорциональна интенсивности излучения. Ленард наблюдал изменение энергии электрона в зависимости от частоты света, используя мощную электрическую дуговую лампу, которая позволила ему исследовать большие изменения интенсивности. Однако результаты Ленарда были качественными, а не количественными из-за трудностей при проведении экспериментов: эксперименты необходимо было проводить на свежесрезанном металле, чтобы наблюдать чистый металл, но он окислялся за считанные минуты даже в частичном вакууме, который он использовал. Ток, испускаемый поверхностью, определялся интенсивностью или яркостью света: удвоение интенсивности света удваивало количество электронов, испускаемых с поверхности. Первоначальные исследования фотоэффекта в газах Ленардом были продолжены Дж. Дж. Томсоном, а затем более решительно Фредериком Палмером-младшим. Фотоэмиссия в газах была изучена и показала очень разные характеристики, чем те, которые изначально ей приписывал Ленард. статья...

Фотоумножители

Это чрезвычайно светочувствительные вакуумные лампы с покрытым фотокатодом внутри баллона. Фотокатод содержит комбинации материалов, таких как цезий, рубидий и сурьма, специально подобранных для обеспечения низкой работы выхода, поэтому при освещении даже очень слабым светом фотокатод легко испускает электроны. С помощью серии электродов (динодов) с последовательно возрастающими потенциалами эти электроны ускоряются и значительно увеличиваются в количестве за счет вторичной эмиссии, обеспечивая легко обнаружимый выходной ток. Фотоумножители по-прежнему широко используются везде, где требуется детектирование низких уровней освещенности.

Датчики изображения

Видеокамеры на заре телевидения использовали фотоэлектрический эффект; например, «дисектор изображения» Фило Фарнсворта применял экран, заряжаемый фотоэлектрическим эффектом, для преобразования оптического изображения в сканированный электронный сигнал.

Фотоэлектронная спектроскопия

Поскольку кинетическая энергия испускаемых электронов равна энергии падающего фотона минус энергия связи электрона в атоме, молекуле или твердом теле, энергию связи можно определить, облучая монохроматическим рентгеновским излучением или ультрафиолетовым светом с известной энергией и измеряя кинетические энергии фотоэлектронов. Концентрический полусферический анализатор является типичным анализатором энергии электронов. Он использует электрическое поле между двумя полусферами для изменения (разложения) траекторий падающих электронов в зависимости от их кинетической энергии.

Приборы ночного видения

Фотоны, попадающие на тонкую пленку щелочного металла или полупроводникового материала, такого как арсенид галлия в трубке усилителя изображения, вызывают выбивание фотоэлектронов благодаря фотоэлектрическому эффекту. Эти электроны ускоряются в электростатическом поле и, сталкиваясь с фосфорным экраном, преобразуются обратно в фотоны. Усиление сигнала достигается либо за счет ускорения электронов, либо за счет увеличения их числа посредством вторичной эмиссии, например, с использованием микроканальной пластины. Иногда применяется комбинация обоих методов. Для вывода электрона из зоны проводимости в вакуум требуется дополнительная кинетическая энергия. Это называется электронной аффинностью фотокатода и представляет собой еще один барьер для фотоэмиссии, помимо запрещенной зоны, объясняемой зонной моделью. У некоторых материалов, таких как арсенид галлия, эффективная электронная аффинность находится ниже уровня зоны проводимости. В этих материалах электроны, переходящие в зону проводимости, обладают достаточной энергией для эмиссии из материала, поэтому пленка, поглощающая фотоны, может быть достаточно толстой. Такие материалы называются материалами с отрицательной электронной аффинностью.

Космический корабль

Фотоэлектрический эффект приведет к накоплению положительного заряда на космическом аппарате, подвергающемся воздействию солнечного света. Это может стать серьезной проблемой, так как другие части аппарата находятся в тени и будут приобретать отрицательный заряд от окружающей плазмы. Дисбаланс зарядов может приводить к разрядам через чувствительные электронные компоненты. Статический заряд, возникающий из-за фотоэлектрического эффекта, является самоограничивающимся, поскольку объект с более высоким зарядом удерживает электроны сильнее, чем объект с низким зарядом.

Луновая пыль

Свет Солнца, попадая на лунную пыль, вызывает её положительное электрическое насыщение благодаря фотоэлектрическому эффекту. Заряженная пыль отталкивается и поднимается с поверхности Луны посредством электростатической левитации. Это проявляется почти как "пылевая атмосфера", видимая в виде тонкой дымки и размытости удалённых объектов, а также как слабое свечение после захода солнца. Впервые это было сфотографировано аппаратами программы Surveyor в 1960-х годах, а недавно марсоход Chang'e 3 зафиксировал отложение пыли на лунных породах высотой до 28 см. Предполагается, что самые мелкие частицы отталкиваются от поверхности на километры и перемещаются в виде "фонтанов" при зарядке и разрядке.

Конкурирующие процессы и фотоэмиссионный поперечный сечение

Когда энергия фотона достигает энергии покоя электрона, равной 511, может происходить еще один процесс – комптоновское рассеяние. При энергиях, превышающих удвоенное значение, то есть 1,022, также возрастает вероятность рождения пары. Комптоновское рассеяние и рождение пары – это примеры двух других конкурирующих механизмов. Даже если фотоэффект является наиболее вероятной реакцией при взаимодействии отдельного фотона со связанным электроном, результат все равно подчиняется квантовой статистике и не является гарантированным. Вероятность возникновения фотоэффекта измеряется сечением взаимодействия, σ. Было установлено, что оно зависит от атомного номера атома-мишени и энергии фотона. В приближении, для энергий фотонов, превышающих максимальную энергию связи электрона в атоме, сечение определяется следующим образом:

Здесь Z – атомный номер, а n – число, изменяющееся в пределах от 4 до 5. Значимость фотоэффекта быстро уменьшается в гамма-области спектра с ростом энергии фотона. Он также более вероятен для элементов с высоким атомным номером. Следовательно, материалы с высоким Z эффективно поглощают гамма-излучение, что является основной причиной предпочтительного и наиболее широкого использования свинца (Z = 82) в качестве защиты от гамма-лучей.