توضیح نظری [ ویرایش ]

نمودار حداکثر انرژی جنبشی به عنوان تابعی از فرکانس نور روی.

در سال 1905، انیشتین با استفاده از مفهومی که برای اولین بار توسط ماکس پلانک ارائه شد ، نظریه ای درباره اثر فوتوالکتریک ارائه کرد که نور از بسته های کوچک انرژی به نام فوتون ها یا کوانتوم های نور تشکیل شده است. هر بسته حامل انرژی استh\nuکه متناسب با فرکانس است\nuاز موج الکترومغناطیسی مربوطه ثابت تناسبساعتبه ثابت پلانک معروف شده است . حداکثر انرژی جنبشی K_{\max}از الکترون هایی که قبل از حذف شدن از پیوند اتمی خود این مقدار انرژی داده شده است

{\displaystyle K_{\max }=h\,\nu -W,}

جایی کهدبلیوحداقل انرژی لازم برای حذف یک الکترون از سطح ماده است. تابع کار سطح نامیده می شود و گاهی اوقات نشان داده می شود\ فییا\varphi. [14] اگر تابع کار به صورت نوشته شود

{\displaystyle W=h\,\nu _{o},}

فرمول ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون های پرتاب شده تبدیل می شود

{\displaystyle K_{\max }=h\left(\nu -\nu _{o}\right).}

انرژی جنبشی مثبت است، و{\displaystyle \nu >\nu _{o}}برای رخ دادن اثر فوتوالکتریک لازم است. [15] فرکانس{\displaystyle \nu _{o}}فرکانس آستانه برای ماده داده شده است. بالاتر از آن فرکانس، حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون ها و همچنین ولتاژ توقف در آزمایش{\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}با فرکانس به صورت خطی افزایش می‌یابد و هیچ وابستگی به تعداد فوتون‌ها و شدت نور تک رنگی برخوردی ندارد. فرمول انیشتین، هر چند ساده، تمام پدیدارشناسی اثر فوتوالکتریک را توضیح داد و پیامدهای گسترده ای در توسعه مکانیک کوانتومی داشت.

انتشار نور از اتم ها، مولکول ها و جامدات [ ویرایش ]

الکترون‌هایی که در اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات متصل هستند، هر کدام حالت‌های متمایزی از انرژی‌های اتصال کاملاً مشخص را اشغال می‌کنند . هنگامی که کوانتوم های نوری بیش از این مقدار انرژی را به یک الکترون منفرد می دهند، الکترون ممکن است با انرژی اضافی (سینتیکی) به فضای آزاد گسیل شود.h\nuبالاتر از انرژی اتصال الکترون است. بنابراین، توزیع انرژی های جنبشی منعکس کننده توزیع انرژی های اتصال الکترون ها در سیستم اتمی، مولکولی یا کریستالی است: الکترونی که در انرژی اتصال از حالت گسیل می شود.E_{B}در انرژی جنبشی یافت می شودE_{k}=h\nu -E_{B}. این توزیع یکی از مشخصه های اصلی سیستم کوانتومی است و می توان از آن برای مطالعات بیشتر در شیمی کوانتومی و فیزیک کوانتومی استفاده کرد.

مدل های انتشار نور از جامدات [ ویرایش ]

خواص الکترونیکی جامدات مرتب و کریستالی با توزیع حالت های الکترونیکی با توجه به انرژی و تکانه تعیین می شود - ساختار نوار الکترونیکی جامد. مدل‌های نظری انتشار نور از جامدات نشان می‌دهد که این توزیع، در بیشتر موارد، در اثر فوتوالکتریک حفظ می‌شود. مدل سه مرحله ای پدیدارشناختی [16] برای تحریک اشعه ماوراء بنفش و نرم اشعه ایکس، اثر را به این مراحل تجزیه می کند: [17] [18] [19]

  1. اثر فوتوالکتریک داخلی در بخش عمده مواد که یک انتقال نوری مستقیم بین حالت الکترونیکی اشغال شده و غیر اشغالی است. این اثر تابع قوانین انتخاب مکانیکی کوانتومی برای انتقال دوقطبی است. سوراخ باقی مانده در پشت الکترون می تواند منجر به گسیل الکترون ثانویه یا به اصطلاح اثر اوگر شود که ممکن است حتی زمانی که فوتوالکترون اولیه از ماده خارج نشود قابل مشاهده باشد. در جامدات مولکولی فونون ها در این مرحله برانگیخته می شوند و ممکن است به صورت خطوط ماهواره ای در انرژی الکترون نهایی قابل مشاهده باشند.
  2. انتشار الکترون به سطحی که ممکن است برخی از الکترون ها در آن به دلیل برهمکنش با سایر اجزای تشکیل دهنده جامد پراکنده شوند. الکترون‌هایی که در اعماق جامدات منشا می‌گیرند، بسیار بیشتر در معرض برخورد قرار می‌گیرند و با انرژی و تکانه تغییر یافته ظاهر می‌شوند. مسیر بدون میانگین آنها یک منحنی جهانی است که به انرژی الکترون وابسته است.
  3. الکترون از طریق مانع سطحی به حالت‌های الکترون آزاد خلاء فرار می‌کند. در این مرحله الکترون انرژی را به مقدار تابع کاری سطح از دست می دهد و در جهت عمود بر سطح دچار افت تکانه می شود. زیرا انرژی اتصال الکترون ها در جامدات به راحتی با توجه به بالاترین حالت اشغال شده در انرژی فرمی بیان می شود.E_Fو تفاوت با انرژی فضای آزاد (خلاء) تابع کار سطح است، انرژی جنبشی الکترون های ساطع شده از جامدات معمولاً به صورت نوشته می شود.{\displaystyle E_{k}=h\nu -W-E_{B}}.

مواردی وجود دارد که مدل سه مرحله ای نمی تواند ویژگی های توزیع شدت فوتوالکترون را توضیح دهد. مدل یک مرحله‌ای دقیق‌تر [20] اثر را به‌عنوان یک فرآیند منسجم از برانگیختگی نوری به حالت نهایی یک کریستال محدود در نظر می‌گیرد که برای آن تابع موج در خارج از کریستال شبیه الکترون آزاد است، اما درون آن یک پوشش در حال فروپاشی دارد. [19]