Radiação de fotoelétrons — significado físico, leis e aplicações

O fenômeno da emissão de fotoelétrons (ou efeito fotoelétrico externo) foi descoberto experimentalmente em 1887 por Heinrich Hertz durante um experimento de cavidade aberta. Quando Hertz direcionou a radiação ultravioleta para faíscas de zinco, ao mesmo tempo, a passagem de uma faísca elétrica através delas foi visivelmente mais fácil.

Por isso, a radiação de fotoelétrons pode ser chamada de processo de emissão de elétrons no vácuo (ou em outro meio) de corpos sólidos ou líquidos sob a influência da radiação eletromagnética que incide sobre eles. O mais significativo na prática é a emissão de fotoelétrons de corpos sólidos — no vácuo.

Existem três leis de emissão de fotoelétrons ou efeito fotoelétrico externo:

1. A radiação eletromagnética com composição espectral constante caindo no fotocátodo causa uma fotocorrente saturada I, cujo valor é proporcional à irradiação do cátodo, ou seja, o número de fotoelétrons eliminados (emitidos) em 1 segundo é proporcional a a intensidade da radiação incidente F.

2.Para cada substância, de acordo com sua natureza química e com um determinado estado de sua superfície, que determina a função de trabalho Ф dos elétrons de uma determinada substância, existe um limite de onda longa (vermelho) da radiação fotoelétron, ou seja, , a frequência mínima v0 abaixo da qual o efeito fotoelétrico é impossível.

3. A velocidade inicial máxima dos fotoelétrons é determinada pela frequência da radiação incidente e não depende de sua intensidade. Em outras palavras, a energia cinética máxima dos fotoelétrons aumenta linearmente com o aumento da frequência da radiação incidente e não depende da intensidade dessa radiação.

As leis do efeito fotoelétrico externo seriam, em princípio, estritamente satisfeitas apenas na temperatura do zero absoluto, enquanto, de fato, em T > 0 K, a emissão de fotoelétrons também é observada em comprimentos de onda maiores que o comprimento de onda de corte, embora com um pequeno número de emissão de elétrons. Em uma intensidade extremamente alta de radiação incidente (mais de 1 W / cm 2 ), essas leis também são violadas, pois a gravidade dos processos multifótons torna-se óbvia e significativa.

Fisicamente, o fenômeno da emissão de fotoelétrons é três processos consecutivos.

Primeiro, o fóton incidente é absorvido pela substância, fazendo com que um elétron com energia superior à média sobre o volume apareça dentro da substância. Este elétron se move para a superfície do corpo e ao longo do caminho parte de sua energia é dissipada, pois no caminho tal elétron interage com outros elétrons e vibrações da rede cristalina. Finalmente, o elétron entra em um vácuo ou outro meio fora do corpo, passando por uma barreira de potencial na fronteira entre esses dois meios.

Como é típico dos metais, nas partes visível e ultravioleta do espectro, os fótons são absorvidos pelos elétrons de condução. Para semicondutores e dielétricos, os elétrons são excitados da banda de valência. De qualquer forma, uma característica quantitativa da emissão de fotoelétrons é o rendimento quântico — Y — o número de elétrons emitidos por fóton incidente.

O rendimento quântico depende das propriedades da substância, do estado de sua superfície, bem como da energia dos fótons incidentes.

Em metais, o limite de comprimento de onda longo da emissão de fotoelétrons é determinado pela função de trabalho do elétron de sua superfície.

Por esta razão, a emissão de fotoelétrons da superfície de metais alcalinos e alcalino-terrosos pode ser observada mesmo quando irradiados com fótons na região visível do espectro, não apenas UV. Enquanto nos metais comuns, a emissão de fotoelétrons só é possível a partir das frequências UV.

Isso é usado para reduzir a função de trabalho do metal: um filme (camada monoatômica) de metais alcalinos e alcalino-terrosos é depositado sobre um metal comum e, assim, o limite vermelho da emissão de fotoelétrons é deslocado para a região de ondas mais longas.

O rendimento quântico Y característico dos metais nas regiões do ultravioleta próximo e do visível é da ordem de menos de 0,001 elétron/fóton porque a profundidade do vazamento do fotoelétron é pequena em comparação com a profundidade de absorção de luz do metal.A maior parte dos fotoelétrons dissipa sua energia antes mesmo de se aproximar do limite de saída do metal, perdendo qualquer chance de saída.

Se a energia do fóton estiver próxima do limiar de fotoemissão, a maioria dos elétrons será excitada em energias abaixo do nível do vácuo e não contribuirá para a corrente de fotoemissão. Além disso, o coeficiente de reflexão nas regiões próximas ao UV e visível é muito alto para os metais, de modo que apenas uma fração muito pequena da radiação será absorvida pelo metal. Na região ultravioleta, esses limites diminuem e Y atinge 0,01 elétron/fóton em energias de fótons acima de 10 eV.

A figura mostra a dependência espectral do rendimento quântico de fotoemissão para uma superfície de cobre puro:

A contaminação da superfície do metal reduz a fotocorrente e desloca o limite vermelho para a região de maior comprimento de onda; ao mesmo tempo, para a região ultravioleta sob essas condições, Y pode aumentar.

A radiação de fotoelétrons encontra aplicação em dispositivos fotoeletrônicos que convertem sinais eletromagnéticos de várias faixas em correntes e tensões elétricas. Por exemplo, uma imagem em sinais infravermelhos invisíveis pode ser convertida em visível usando um dispositivo que funciona com base no fenômeno da emissão de fotoelétrons. A radiação de fotoelétrons também funciona em fotocélulas, em vários conversores óptico-eletrônicos, em fotomultiplicadores, fotoresistores, fotodiodos, em tubos de feixe de elétrons, etc.

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