الإشعاع الضوئي - المعنى المادي والقوانين والتطبيقات
تم اكتشاف ظاهرة انبعاث الإلكترونات الضوئية (أو التأثير الكهروضوئي الخارجي) بشكل تجريبي في عام 1887 من قبل هاينريش هيرتز أثناء تجربة التجويف المفتوح. عندما وجه هيرتز الأشعة فوق البنفسجية على شرارات الزنك ، في نفس الوقت كان مرور شرارة كهربائية من خلالها أسهل بشكل ملحوظ.
هكذا، يمكن أن يطلق على الإشعاع الكهروضوئي عملية انبعاث الإلكترونات في فراغ (أو في وسط آخر) من الأجسام الصلبة أو السائلة تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط عليها. الأهم من الناحية العملية هو انبعاث الإلكترون الضوئي من الأجسام الصلبة - في الفراغ.
1. يتسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي ذو التركيب الطيفي الثابت الساقط على الكاثود الضوئي في حدوث تيار ضوئي مشبع ، تتناسب قيمته مع تشعيع الكاثود ، أي أن عدد الإلكترونات الكهروضوئية المنبعثة (المنبعثة) في ثانية واحدة يتناسب مع شدة إشعاع الحادث F.
2.لكل مادة ، وفقًا لطبيعتها الكيميائية وحالة معينة من سطحها ، والتي تحدد وظيفة العمل Ф للإلكترونات من مادة معينة ، هناك حد طويل الموجة (أحمر) للإشعاع الكهروضوئي ، أي ، الحد الأدنى للتردد v0 الذي تحته يكون التأثير الكهروضوئي مستحيلاً.
3. يتم تحديد السرعة الأولية القصوى للإلكترونات الضوئية من خلال تواتر الإشعاع الساقط ولا تعتمد على شدته. بمعنى آخر ، تزداد الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات الضوئية خطيًا مع زيادة تواتر الإشعاع الساقط ولا تعتمد على شدة هذا الإشعاع.
من حيث المبدأ ، فإن قوانين التأثير الكهروضوئي الخارجي يتم استيفائها بشكل صارم فقط عند درجة حرارة الصفر المطلق ، بينما في الواقع ، عند T> 0 K ، يُلاحظ أيضًا انبعاث الإلكترون الكهروضوئي عند أطوال موجية أطول من الطول الموجي المقطوع ، وإن كان ذلك مع عدد صغير من ينبعث منها إلكترونات. عند كثافة عالية للغاية من الإشعاع الساقط (أكثر من 1 واط / سم 2) ، يتم انتهاك هذه القوانين أيضًا ، حيث تصبح شدة عمليات تعدد الفوتونات واضحة وذات مغزى.
ماديًا ، فإن ظاهرة انبعاث الإلكترون الضوئية هي ثلاث عمليات متتالية.
أولاً ، تمتص المادة الفوتون الساقط ، ونتيجة لذلك يظهر إلكترون ذو طاقة أعلى من المتوسط فوق الحجم داخل المادة. ينتقل هذا الإلكترون إلى سطح الجسم وعلى طول الطريق يتبدد جزء من طاقته ، لأنه في الطريق يتفاعل مثل هذا الإلكترون مع الإلكترونات الأخرى والاهتزازات في الشبكة البلورية. أخيرًا ، يدخل الإلكترون فراغًا أو وسيطًا آخر خارج الجسم ، ويمر عبر حاجز محتمل عند الحدود بين هذين الوسطين.
كما هو معتاد بالنسبة للمعادن ، في الأجزاء المرئية والأشعة فوق البنفسجية من الطيف ، تمتص إلكترونات التوصيل الفوتونات. بالنسبة لأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية ، تكون الإلكترونات متحمسة من نطاق التكافؤ. على أي حال ، فإن السمة الكمية لانبعاث الإلكترون الضوئية هي العائد الكمي - Y - عدد الإلكترونات المنبعثة لكل فوتون عارض.
يعتمد العائد الكمي على خصائص المادة ، وعلى حالة سطحها ، وكذلك على طاقة الفوتونات الساقطة.
في المعادن ، يتم تحديد حد الطول الموجي الطويل لانبعاث الإلكترون الضوئي من خلال وظيفة عمل الإلكترون من سطحها.تحتوي معظم المعادن السطحية النظيفة على وظيفة عمل أعلى من 3 فولت ، في حين أن المعادن القلوية لها وظيفة عمل من 2 إلى 3 فولت.
لهذا السبب ، يمكن ملاحظة انبعاث الإلكترونات الضوئية من سطح الفلزات الأرضية القلوية والقلوية حتى عند تعريضها للإشعاع بالفوتونات في المنطقة المرئية من الطيف ، وليس فقط الأشعة فوق البنفسجية. بينما في المعادن العادية ، يكون انبعاث الإلكترون الضوئي ممكنًا فقط بدءًا من ترددات الأشعة فوق البنفسجية.
يستخدم هذا لتقليل وظيفة عمل المعدن: يتم ترسيب فيلم (طبقة أحادية الذرة) من الفلزات الأرضية القلوية والقلوية على معدن عادي وبالتالي يتم تحويل الحد الأحمر لانبعاث الإلكترون الضوئي إلى منطقة الموجات الأطول.
يكون العائد الكمومي المميز Y للمعادن في المناطق القريبة من الأشعة فوق البنفسجية والمرئية أقل من 0.001 إلكترون / فوتون لأن عمق تسرب الإلكترون الضوئي صغير مقارنة بعمق امتصاص الضوء للمعدن.تبدد حصة الأسد من الإلكترونات الضوئية طاقتها حتى قبل الاقتراب من حدود خروج المعدن ، مما يفقد أي فرصة للخروج.
إذا كانت طاقة الفوتون قريبة من عتبة الانبعاث الضوئي ، فستكون معظم الإلكترونات متحمسة عند طاقات أقل من مستوى الفراغ ولن تساهم في تيار الانبعاث الضوئي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معامل الانعكاس في المناطق القريبة من الأشعة فوق البنفسجية والمرئية مرتفع جدًا بالنسبة للمعادن ، لذلك لن يمتص المعدن إلا جزءًا صغيرًا جدًا من الإشعاع. في منطقة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة تنخفض هذه الحدود وتصل Y إلى 0.01 إلكترون / فوتون عند طاقات الفوتون فوق 10 فولت.
يوضح الشكل الاعتماد الطيفي للإنتاج الكمي للانبعاث الضوئي لسطح نحاسي نقي:
يؤدي تلوث السطح المعدني إلى تقليل التيار الضوئي وإزاحة الحد الأحمر إلى منطقة الطول الموجي الأطول ؛ في الوقت نفسه ، بالنسبة لمنطقة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة في ظل هذه الظروف ، قد تزداد Y.
يجد الإشعاع الإلكتروني الضوئي تطبيقًا في الأجهزة الكهروضوئية التي تحول الإشارات الكهرومغناطيسية ذات النطاقات المختلفة إلى تيارات كهربائية وجهد. على سبيل المثال ، يمكن تحويل صورة في إشارات الأشعة تحت الحمراء غير المرئية إلى صورة مرئية باستخدام جهاز يعمل على أساس ظاهرة انبعاث الإلكترون الضوئي. يعمل أيضًا إشعاع الإلكترون الضوئي في الخلايا الضوئية، في مختلف المحولات الإلكترونية الضوئية ، في المضاعفات الضوئية ، مقاومات الضوء ، الصمامات الثنائية الضوئية ، في أنابيب الحزمة الإلكترونية ، إلخ.
أنظر أيضا:كيف تتم عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية