از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

پرش به ناوبریپرش به جستجو

انتشار الکترون ها از یک صفحه فلزی ناشی از کوانتوم های نور - فوتون ها .

اثر فوتوالکتریک ، گسیل الکترون‌هایی است که تابش الکترومغناطیسی ، مانند نور ، به یک ماده برخورد می‌کند. الکترون هایی که به این روش گسیل می شوند فوتوالکترون نامیده می شوند. این پدیده در فیزیک ماده چگال ، و حالت جامد و شیمی کوانتومی برای استنتاج در مورد خواص اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این اثر در دستگاه‌های الکترونیکی متخصص برای تشخیص نور و انتشار الکترون به‌طور دقیق استفاده شده است.

نتایج تجربی با الکترومغناطیس کلاسیک مخالف است، که پیش‌بینی می‌کند امواج نور پیوسته انرژی را به الکترون‌ها منتقل می‌کنند، که پس از جمع‌آوری انرژی کافی منتشر می‌شوند. تغییر در شدت نور از نظر تئوری انرژی جنبشی الکترون‌های ساطع شده را تغییر می‌دهد و نور به اندازه کافی کم‌رنگ و منجر به انتشار تاخیری می‌شود. نتایج تجربی در عوض نشان می‌دهد که الکترون‌ها تنها زمانی از جای خود خارج می‌شوند که نور از فرکانس خاصی تجاوز کند- صرف نظر از شدت یا مدت قرار گرفتن در معرض نور. از آنجا که یک پرتو فرکانس پایین با شدت بالا انرژی لازم برای تولید فوتوالکترون را ایجاد نمی کند، همانطور که اگر انرژی نور در طول زمان از یک موج پیوسته انباشته شود، آلبرت انیشتین پیشنهاد کرد که یک پرتو نور یک موج در حال انتشار نیست. از طریق فضا، اما گروهی از بسته های انرژی گسسته، معروف به فوتون .

انتشار الکترون های رسانا از فلزات معمولی به چند کوانتوم نور الکترون ولت (eV) نیاز دارد که مربوط به نور مرئی یا فرابنفش با طول موج کوتاه است. در موارد شدید، انتشار با فوتون‌هایی که به انرژی صفر نزدیک می‌شوند، القا می‌شوند، مانند سیستم‌هایی با میل الکترونی منفی و گسیل از حالت‌های برانگیخته، یا چند صد فوتون کو برای الکترون‌های هسته در عناصر با عدد اتمی بالا . [1] مطالعه اثر فوتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک ماهیت کوانتومی نور و الکترون شد و بر شکل‌گیری مفهوم دوگانگی موج-ذره تأثیر گذاشت . [2]پدیده های دیگری که نور بر حرکت بارهای الکتریکی تأثیر می گذارد عبارتند از: اثر رسانای نوری، اثر فتوولتائیک و اثر فوتوالکتروشیمیایی .

فهرست

مکانیسم انتشار [ ویرایش ]

فوتون های یک پرتو نور دارای یک انرژی مشخصه به نام انرژی فوتون هستند که متناسب با فرکانس نور است. در فرآیند گسیل نور، زمانی که یک الکترون درون برخی از مواد، انرژی فوتون را جذب کرده و انرژی بیشتری نسبت به انرژی اتصال آن به دست می آورد ، احتمالاً پرتاب می شود. اگر انرژی فوتون خیلی کم باشد، الکترون قادر به فرار از ماده نیست. از آنجایی که افزایش شدت نور با فرکانس پایین فقط تعداد فوتون های کم انرژی را افزایش می دهد، این تغییر شدت هیچ فوتون منفردی با انرژی کافی برای جابجایی یک الکترون ایجاد نمی کند. علاوه بر این، انرژی الکترون های ساطع شده به شدت نور ورودی یک فرکانس معین بستگی ندارد، بلکه فقط به انرژی تک فوتون ها بستگی دارد.

در حالی که الکترون‌های آزاد می‌توانند هر انرژی را در هنگام تابش جذب کنند، تا زمانی که به دنبال آن یک بازتابش فوری به دنبال داشته باشد، مانند اثر کامپتون ، در سیستم‌های کوانتومی تمام انرژی یک فوتون جذب می‌شود – اگر این فرآیند توسط مکانیک کوانتومی اجازه داده شود . یا اصلا هیچ کدام بخشی از انرژی به دست آمده برای آزاد کردن الکترون از اتصال اتمی آن استفاده می شود و بقیه به انرژی جنبشی الکترون به عنوان یک ذره آزاد کمک می کند. [3] [4] [5]از آنجایی که الکترون‌ها در یک ماده بسیاری از حالت‌های کوانتومی مختلف را با انرژی‌های اتصال متفاوت اشغال می‌کنند، و از آنجا که می‌توانند تلفات انرژی را در مسیر خروج از ماده حفظ کنند، الکترون‌های ساطع شده طیفی از انرژی‌های جنبشی خواهند داشت. الکترون های بالاترین حالت های اشغال شده دارای بالاترین انرژی جنبشی خواهند بود. در فلزات، آن الکترون ها از سطح فرمی ساطع می شوند .

هنگامی که فوتوالکترون به جای خلاء به یک جامد گسیل می‌شود، اصطلاح انتشار نور داخلی اغلب استفاده می‌شود و گسیل در خلاء به عنوان انتشار نور خارجی متمایز می‌شود .

مشاهده تجربی گسیل فوتوالکتریک [ ویرایش ]

حتی اگر انتشار نور می تواند از هر ماده ای رخ دهد، به راحتی از فلزات و سایر رساناها مشاهده می شود. این به این دلیل است که فرآیند یک عدم تعادل بار ایجاد می کند که اگر توسط جریان جریان خنثی نشود، منجر به افزایش مانع پتانسیل می شود تا زمانی که انتشار به طور کامل متوقف شود. سد انرژی برای انتشار نور معمولاً توسط لایه‌های اکسید نارسانا روی سطوح فلزی افزایش می‌یابد، بنابراین بیشتر آزمایش‌های عملی و دستگاه‌های مبتنی بر اثر فوتوالکتریک از سطوح فلزی تمیز در لوله‌های تخلیه شده استفاده می‌کنند. خلاء همچنین به مشاهده الکترون‌ها کمک می‌کند زیرا مانع از عبور گازها بین الکترودها می‌شود.

از آنجایی که نور خورشید به دلیل جذب اتمسفر، نور ماوراء بنفش زیادی را ارائه نمی کند، نور غنی از اشعه ماوراء بنفش قبلاً با سوزاندن منیزیم یا از یک لامپ قوس الکتریکی به دست می آمد . در حال حاضر، لامپ‌های بخار جیوه ، لامپ‌های تخلیه گاز نجیب UV و منابع پلاسمایی فرکانس رادیویی ، [6] [7] [8] لیزرهای فرابنفش ، [9] و دستگاه درج سنکروترون [10] منابع نور غالب هستند.

شماتیک آزمایش برای نشان دادن اثر فوتوالکتریک. نور تک رنگ فیلتر شده با طول موج معین به الکترود ساطع کننده (E) در داخل یک لوله خلاء برخورد می کند. الکترود کلکتور (C) به یک ولتاژ V C بایاس می شود که می تواند تنظیم شود تا الکترون های ساطع شده را در صورت مثبت جذب کند یا از رسیدن هر یک از آنها به کلکتور در صورت منفی جلوگیری کند.

تنظیم کلاسیک برای مشاهده اثر فوتوالکتریک شامل یک منبع نور، مجموعه ای از فیلترها برای تک رنگ کردن نور، یک لوله خلاء شفاف در برابر نور ماوراء بنفش، یک الکترود ساطع کننده (E) در معرض نور و یک کلکتور (C) که ولتاژ آن V است. C را می توان به صورت خارجی کنترل کرد.

یک ولتاژ خارجی مثبت برای هدایت الکترون‌های تابیده شده به سمت کلکتور استفاده می‌شود. اگر فرکانس و شدت تابش فرودی ثابت باشد، جریان فوتوالکتریک I با افزایش ولتاژ مثبت افزایش می یابد، زیرا الکترون های بیشتری به الکترود هدایت می شوند. هنگامی که هیچ فوتوالکترون اضافی نمی توان جمع آوری کرد، جریان فوتوالکتریک به مقدار اشباع می رسد. این جریان تنها با افزایش شدت نور می تواند افزایش یابد.

افزایش ولتاژ منفی از رسیدن همه الکترون ها به کلکتور به جز الکترون های پرانرژی جلوگیری می کند. هنگامی که هیچ جریانی از طریق لوله مشاهده نمی شود، ولتاژ منفی به مقداری رسیده است که به اندازه کافی بالا است تا پرانرژی ترین فوتوالکترون های انرژی جنبشی K max را کاهش داده و متوقف کند . این مقدار ولتاژ کندکننده را پتانسیل توقف یا قطع پتانسیل V o می نامند . [11] از آنجایی که کار انجام شده توسط پتانسیل کندکننده در توقف الکترون بار e eV o است ، موارد زیر باید eV o = K max را حفظ کنند.

منحنی جریان-ولتاژ سیگموئیدی است، اما شکل دقیق آن به هندسه آزمایشی و خواص مواد الکترود بستگی دارد.

برای یک سطح فلزی معین، حداقل فرکانس مشخصی از تابش برخوردی وجود دارد که از زیر آن هیچ فوتوالکترونی ساطع نمی شود. این فرکانس فرکانس آستانه نامیده می شود . افزایش فرکانس پرتو فرودی، حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون های ساطع شده را افزایش می دهد و ولتاژ توقف باید افزایش یابد. تعداد الکترون‌های گسیل‌شده نیز ممکن است تغییر کند، زیرا احتمال اینکه هر فوتون منجر به یک الکترون گسیل‌شده شود، تابعی از انرژی فوتون است.

افزایش شدت همان نور تک رنگ (تا زمانی که شدت آن خیلی زیاد نباشد [12] )، که متناسب با تعداد فوتون هایی است که در یک زمان معین به سطح برخورد می کنند، سرعت پرتاب الکترون ها را افزایش می دهد. -جریان فوتوالکتریک I- اما انرژی جنبشی فوتوالکترونها و ولتاژ توقف ثابت می ماند. برای یک فلز معین و فرکانس تابش تابشی، سرعت پرتاب فوتوالکترون ها مستقیماً با شدت نور فرودی متناسب است.

فاصله زمانی بین بروز تابش و گسیل یک فوتوالکترون بسیار کوچک است، کمتر از 10-9 ثانیه. توزیع زاویه ای فوتوالکترون ها به شدت به پلاریزاسیون (جهت میدان الکتریکی) نور فرودی و همچنین خواص کوانتومی ماده گسیل کننده مانند تقارن های مداری اتمی و مولکولی و ساختار نوار الکترونیکی جامدات کریستالی وابسته است. در مواد بدون نظم ماکروسکوپی، توزیع الکترون ها در جهت قطبش نور قطبی شده خطی به اوج می رسد. [13] روش آزمایشی که می‌تواند این توزیع‌ها را برای استنباط خواص مواد اندازه‌گیری کند، طیف‌سنجی انتشار نوری تفکیک‌شده با زاویه است .