Фотоелектронна емісія

Фотоелектронна емісія (зовнішній фотоефект) – емісія електронів твердими тілами і рідинами під дією електромагнітного випромінювання (фотонів) у вакуум або інші середовища. Практичне значення в більшості випадків має фотоелектронна емісія із твердих тіл (металів, напівпровідників, діелектриків) у вакуум.

Основні закономірності фотоелектронної емісії сформовані Г. Герцем, О. Г. Столетовим та А. Єйнштейном і полягають у наступному:

· кількість електронів, що емітуються, пропорційна інтенсивності випромінювання;

· для кожної речовини, при певному стані її поверхні і температурі K, існує поріг – червона межа фотоефекту (мінімальна частота або максимальна довжина хвилі випромінювання, за якими фотоелектронна емісія припиняється);

· максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає із частотою випромінювання та не залежить від його інтенсивності.

Фотоелектронна емісія або фотоефект – квантове явище, його відкриття і дослідження зіграли важливу роль в експериментальному обґрунтуванні квантової теорії: тільки на її основі виявилося можливим пояснення закономірностей фотоефекту. Вільний електрон не може поглинути фотон, тому що при цьому не можуть бути одночасно дотримані закони збереження енергії та імпульсу. Фотоефект із атома, молекули або конденсованого середовища можливий через зв'язок електрона з оточенням. Цей зв'язок характеризується в атомі енергією іонізації, у конденсованому середовищі – роботою виходу. Закон збереження енергії при фотоефекті виражається співвідношенням А. Эйнштейна:

,

де – кінетична енергія фотоелектрона, – енергія іонізації атома або робота виходу електрона з тіла, – постійна Планка, – частота випромінювання. При фотоефект неможливий.

Фотоелектронна емісія – результат трьох послідовних процесів:

- поглинання фотона і появи електрона з високої (у порівнянні із середньої) енергією;

- руху цього електрона до поверхні, при якому частина енергії може розсіятися;

- виходу електрона в інше середовище через поверхню розділу.

Кількісною характеристикою фотоелектронної емісії є квантовий вихід , який визначається кількістю фотоелектронів, що приходяться на 1 фотон падаючого на поверхню емітера випромінювання. Величина залежить від властивостей тіла, стану його поверхні та енергії фотонів.

Фотоелектронна емісія з металів виникає, якщо енергія фотона перевищує роботу виходу металу . Остання для чистих поверхонь металів більше 2 еВ (а для більшості з них більше 3 еВ), тому фотоелектронна емісія з металів (якщо робота виходу не знижена спеціальним покриттям поверхні) може спостерігатися у видимій і ультрафіолетовій (для лужних металів і барію) або тільки в ультрафіолетовій (для всіх інших металів) областях спектра.

Поблизу порога фотоелектронної емісії для більшості металів електрон/фотон. Мала величина обумовлена тим, що поверхні металів сильно відзеркалюють видиме і ближнє ультрафіолетове випромінювання (коефіцієнт відбиття ), так що в метал проникає лише мала частка падаючого на нього випромінювання. Крім того, фотоелектрони при русі до поверхні сильно взаємодіють із електронами провідності, яких у металі багато (~ см^-3), і швидко розсіюють енергію, отриману від випромінювання. Енергію, достатню для здійснення роботи виходу, зберігають тільки ті фотоелектрони, які утворилися поблизу поверхні на глибині, що не перевищує кілька нанометрів. Менш “енергійні” фотоелектрони можуть пройти без втрат енергії в десятки разів більший шлях у металі, але їхня енергія недостатня для подолання поверхневого потенційного бар'єра і виходу у вакуум.

Зі збільшенням енергії фотонів квантовий вихід металів зростає. При еВ чистих металевих плівок (отриманих випаром металу у високому вакуумі) становить для Al — 0,04, для Bi — 0,015 електрон/фотон. При еВ збільшується і для деяких металів (Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) досягає 0,1–0,2 електрон/фотон. Випадкові забруднення можуть сильно знизити , внаслідок чого поріг фотоелектронної емісії зрушується убік більше довгих хвиль, і в цій області може сильно зростати. Різкого збільшення і зміна порога фотоелектронної емісії металів у видиму область спектра досягають, покриваючи чисту поверхню металу моноатомним шаром електропозитивних атомів або молекул (Cs, Rb, Cs₂O), що утворять на поверхні дипольний електричний шар. Наприклад, шар Cs знижує (і, відповідно, зміщує поріг фотоелектронної емісії: для W – з 5,05 до 1,7 еВ; для Ag – з 4,62 до 1,65 еВ; для Cu – з 4,52 до 1,55 еВ; для Ni – з 4,74 до 1,42 еВ.

Фотоефект може спостерігатися в газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізація). Первинним актом тут є поглинання фотона атомом і іонізація з випущенням електрона. З високим ступенем точності можна вважати, що вся енергія фотона за винятком енергії іонізації передається електрону. У конденсованих середовищах механізм поглинання фотонів залежить від їхньої внутрішньої енергії.

При енергіях фотонів , що багато разів перевищують енергію міжатомних зв'язків у конденсованому середовищі (гамма-випромінювання), фотоелектрони можуть вириватися з “глибоких” оболонок атома. Вплив середовища на первинний акт фотоефекту в цьому випадку малий в порівнянні з енергією зв'язку електрона в атомі і фотоефект відбувається так само, як на ізольованих атомах. Ефективний перетин фотоефекту спочатку росте з , а потім, коли стає більше енергії зв'язку електронів найглибших оболонок атома, зменшується. Така залежність від якісно пояснюється тим, що чим більше в порівнянні з , тим менш суттєвий зв'язок електрона з атомом, а для вільного електрона фотоефект неможливий. Внаслідок того, що електрони К-оболонки сильно зв'язані в атомі і цей зв'язок зростає з атомним номером , має найбільше значення для К-електронів і швидко збільшується при переході до важких елементів ( ). При порядку атомних енергій зв'язку фотоефект є переважним механізмом поглинання гамма випромінювання атомами, при більш високих енергіях фотонів його роль стає менш істотної в порівнянні з іншими механізмами: ефектом Комптона, народженням електронно-позитронних пар.

Ядерним фотоефектом називається поглинання кванта атомним ядром, що супроводжується його перебудовою. Фотоефект широко використовується в дослідженнях будови речовини - атомів, атомних ядер, твердих тіл, а також у чисельних фотоелектронних приладах.