Photoelektronenstrahlung – physikalische Bedeutung, Gesetze und Anwendungen
Das Phänomen der Photoelektronenemission (oder des externen photoelektrischen Effekts) wurde 1887 von Heinrich Hertz während eines Experiments mit offenem Hohlraum experimentell entdeckt. Als Hertz ultraviolette Strahlung auf Zinkfunken richtete, war gleichzeitig der Durchgang eines elektrischen Funkens durch sie spürbar einfacher.
Daher, Als Photoelektronenstrahlung kann man den Prozess der Emission von Elektronen im Vakuum (oder in einem anderen Medium) aus festen oder flüssigen Körpern unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung bezeichnen, die auf sie einfällt. Am bedeutsamsten in der Praxis ist die Photoelektronenemission aus Festkörpern – im Vakuum.
1. Elektromagnetische Strahlung mit konstanter spektraler Zusammensetzung, die auf die Photokathode fällt, verursacht einen gesättigten Photostrom I, dessen Wert proportional zur Bestrahlung der Kathode ist, d. h. die Anzahl der in 1 Sekunde ausgeschlagenen (emittierten) Photoelektronen ist proportional zu die Intensität der einfallenden Strahlung F.
2.Für jeden Stoff gibt es entsprechend seiner chemischen Natur und einem bestimmten Zustand seiner Oberfläche, die die Austrittsarbeit Ф der Elektronen eines bestimmten Stoffes bestimmen, eine langwellige (rote) Grenze der Photoelektronenstrahlung, d.h. , die minimale Frequenz v0, unterhalb derer der photoelektrische Effekt unmöglich ist.
3. Die maximale Anfangsgeschwindigkeit der Photoelektronen wird durch die Frequenz der einfallenden Strahlung bestimmt und ist nicht von deren Intensität abhängig. Mit anderen Worten: Die maximale kinetische Energie von Photoelektronen steigt linear mit zunehmender Frequenz der einfallenden Strahlung und hängt nicht von der Intensität dieser Strahlung ab.
Die Gesetze des externen photoelektrischen Effekts wären im Prinzip nur bei der absoluten Nulltemperatur strikt erfüllt, während bei T > 0 K tatsächlich Photoelektronenemission auch bei Wellenlängen beobachtet wird, die länger als die Grenzwellenlänge sind, wenn auch mit einer geringen Anzahl Elektronen aussenden. Bei einer extrem hohen Intensität der einfallenden Strahlung (mehr als 1 W/cm 2 ) werden diese Gesetze ebenfalls verletzt, da die Schwere von Multiphotonenprozessen offensichtlich und bedeutsam wird.
Physikalisch besteht das Phänomen der Photoelektronenemission aus drei aufeinanderfolgenden Prozessen.
Zunächst wird das einfallende Photon von der Substanz absorbiert, wodurch im Inneren der Substanz ein Elektron mit einer über dem Volumendurchschnitt liegenden Energie erscheint. Dieses Elektron bewegt sich zur Oberfläche des Körpers und auf dem Weg wird ein Teil seiner Energie abgeführt, da ein solches Elektron unterwegs mit anderen Elektronen und Schwingungen des Kristallgitters interagiert. Schließlich gelangt das Elektron in ein Vakuum oder ein anderes Medium außerhalb des Körpers und passiert dabei eine Potentialbarriere an der Grenze zwischen diesen beiden Medien.
Wie für Metalle typisch, werden im sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums Photonen von den Leitungselektronen absorbiert. Bei Halbleitern und Dielektrika werden Elektronen aus dem Valenzband angeregt. Ein quantitatives Merkmal der Photoelektronenemission ist in jedem Fall die Quantenausbeute – Y – die Anzahl der pro einfallendem Photon emittierten Elektronen.
Die Quantenausbeute hängt von den Eigenschaften des Stoffes, vom Zustand seiner Oberfläche sowie von der Energie der einfallenden Photonen ab.
Bei Metallen wird die langwellige Grenze der Photoelektronenemission durch die Austrittsarbeit des Elektrons von ihrer Oberfläche bestimmt. Die meisten sauberen Oberflächenmetalle haben eine Austrittsarbeit über 3 eV, während Alkalimetalle eine Austrittsarbeit von 2 bis 3 eV haben.
Aus diesem Grund kann die Emission von Photoelektronen von der Oberfläche von Alkali- und Erdalkalimetallen auch bei Bestrahlung mit Photonen im sichtbaren Bereich des Spektrums, nicht nur im UV-Bereich, beobachtet werden. Während in gewöhnlichen Metallen die Emission von Photoelektronen nur ab UV-Frequenzen möglich ist.
Dies wird genutzt, um die Austrittsarbeit des Metalls zu verringern: Auf einem gewöhnlichen Metall wird ein Film (monoatomare Schicht) aus Alkali- und Erdalkalimetallen abgeschieden und so die rote Grenze der Photoelektronenemission in den Bereich längerer Wellen verschoben.
Die für Metalle im nahen UV- und sichtbaren Bereich charakteristische Quantenausbeute Y liegt in der Größenordnung von weniger als 0,001 Elektron/Photon, da die Photoelektronenleckagetiefe im Vergleich zur Lichtabsorptionstiefe des Metalls gering ist.Der Löwenanteil der Photoelektronen gibt ihre Energie ab, bevor sie sich der Austrittsgrenze des Metalls überhaupt nähert, und verliert so jegliche Chance auf einen Austritt.
Wenn die Photonenenergie nahe an der Photoemissionsschwelle liegt, werden die meisten Elektronen bei Energien unterhalb des Vakuumniveaus angeregt und tragen nicht zum Photoemissionsstrom bei. Zudem ist der Reflexionskoeffizient im nahen UV- und sichtbaren Bereich für Metalle zu hoch, sodass nur ein sehr geringer Teil der Strahlung überhaupt vom Metall absorbiert wird. Im fernen UV-Bereich verringern sich diese Grenzen und Y erreicht 0,01 Elektron/Photon bei Photonenenergien über 10 eV.
Die Abbildung zeigt die spektrale Abhängigkeit der Photoemissionsquantenausbeute für eine reine Kupferoberfläche:
Eine Verunreinigung der Metalloberfläche verringert den Photostrom und verschiebt die Rotgrenze in den längerwelligen Bereich; Gleichzeitig kann Y für den fernen UV-Bereich unter diesen Bedingungen zunehmen.
Photoelektronenstrahlung findet Anwendung in photoelektronischen Geräten, die elektromagnetische Signale verschiedener Bereiche in elektrische Ströme und Spannungen umwandeln. Beispielsweise kann ein Bild in unsichtbaren Infrarotsignalen mithilfe eines Geräts, das auf dem Phänomen der Photoelektronenemission basiert, in ein sichtbares umgewandelt werden. Photoelektronenstrahlung funktioniert auch in Fotozellen, in verschiedenen elektronisch-optischen Wandlern, in Photomultipliern, Photowiderständen, Photodioden, in Elektronenstrahlröhren usw.
Siehe auch:Wie der Prozess der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie funktioniert