광전자 방사선 — 물리적 의미, 법칙 및 응용
광전자 방출(또는 외부 광전 효과) 현상은 1887년 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)가 열린 공동 실험 중에 실험적으로 발견했습니다. Hertz가 아연 스파크에 자외선을 가했을 때 동시에 아연 스파크를 통과하는 전기 스파크가 눈에 띄게 더 쉬워졌습니다.
따라서, 광전자 방사선은 전자기 방사선의 영향을 받아 고체 또는 액체 몸체에서 진공 (또는 다른 매체)에서 전자를 방출하는 과정이라고 할 수 있습니다. 실제로 가장 중요한 것은 진공 상태에서 고체로부터의 광전자 방출입니다.
1. 광음극에 떨어지는 일정한 스펙트럼 구성의 전자기 방사선은 포화 광전류 I를 발생시키며, 그 값은 음극의 조사에 비례합니다. 즉, 1초 동안 녹아웃(방출)된 광전자의 수는 입사 방사선의 강도 F.
2.각 물질에 대해 화학적 성질과 주어진 물질에서 전자의 일함수 Ф를 결정하는 표면의 특정 상태에 따라 광전자 방사의 장파(적색) 한계가 있습니다. , 광전 효과가 불가능한 최소 주파수 v0.
3. 광전자의 최대 초기 속도는 입사 방사선의 주파수에 의해 결정되며 강도에 의존하지 않습니다. 즉, 광전자의 최대 운동 에너지는 입사 방사선의 빈도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하며 이 방사선의 강도에 의존하지 않습니다.
외부 광전 효과의 법칙은 원칙적으로 절대 온도 0도에서만 엄격하게 충족되지만 실제로는 T > 0K에서 차단 파장보다 긴 파장에서도 광전자 방출이 관찰됩니다. 전자 방출. 매우 높은 강도의 입사 방사선(1 W/cm 2 이상)에서는 다광자 프로세스의 심각성이 명백하고 중요해지기 때문에 이러한 법칙도 위반됩니다.
물리적으로 광전자 방출 현상은 세 가지 연속적인 과정입니다.
첫째, 입사 광자는 물질에 흡수되어 그 결과 물질 내부에 평균 부피 이상의 에너지를 가진 전자가 나타납니다. 이 전자는 몸의 표면으로 이동하고 에너지의 일부가 소산되는 방식으로 이동합니다. 왜냐하면 이러한 전자는 결정 격자의 다른 전자 및 진동과 상호 작용하기 때문입니다. 마지막으로 전자는 신체 외부의 진공 또는 기타 매체로 들어가 이 두 매체 사이의 경계에 있는 전위 장벽을 통과합니다.
금속의 경우 일반적으로 스펙트럼의 가시광선 및 자외선 부분에서 광자는 전도 전자에 의해 흡수됩니다. 반도체 및 유전체의 경우 전자는 가전자대에서 여기됩니다. 어쨌든 광전자 방출의 정량적 특성은 양자 수율(Y) - 입사 광자당 방출되는 전자의 수입니다.
양자 수율은 물질의 특성, 표면 상태, 입사 광자의 에너지에 따라 달라집니다.
금속에서 광전자 방출의 장파장 한계는 표면에서 전자의 일함수에 의해 결정되며, 대부분의 깨끗한 표면 금속은 3eV 이상의 일함수를 가지며 알칼리 금속은 2~3eV의 일함수를 가집니다.
이러한 이유로 알칼리 및 알칼리 토금속 표면에서 광전자 방출은 UV뿐만 아니라 스펙트럼의 가시 영역에서 광자를 조사하더라도 관찰될 수 있습니다. 일반 금속에서는 광전자 방출이 UV 주파수에서만 가능합니다.
이것은 금속의 일함수를 줄이는 데 사용됩니다. 알칼리 및 알칼리 토금속의 필름(단원자 층)이 일반 금속에 증착되어 광전자 방출의 적색 한계가 더 긴 파장 영역으로 이동합니다.
근자외선 및 가시광선 영역에서 금속의 양자 수율 Y 특성은 광전자 누출 깊이가 금속의 광 흡수 깊이에 비해 작기 때문에 0.001 전자/광자 미만 정도입니다.대부분의 광전자는 금속의 출구 경계에 접근하기도 전에 에너지를 소산하여 출구의 기회를 잃습니다.
광자 에너지가 광방출 임계값에 가까우면 대부분의 전자는 진공 수준 이하의 에너지에서 여기되고 광방출 전류에 기여하지 않습니다. 또한 근자외선 및 가시광선 영역의 반사 계수는 금속에 비해 너무 높기 때문에 방사선의 아주 작은 부분만 금속에 흡수됩니다. 원적외선 영역에서 이러한 한계는 감소하고 Y는 10eV 이상의 광자 에너지에서 0.01 전자/광자에 도달합니다.
그림은 순수한 구리 표면에 대한 광전자 방출 양자 수율의 스펙트럼 의존성을 보여줍니다.
금속 표면의 오염은 광전류를 감소시키고 적색 한계를 더 긴 파장 영역으로 이동시킵니다. 동시에 이러한 조건에서 원적외선 영역의 경우 Y가 증가할 수 있습니다.
광전자 방사선은 다양한 범위의 전자기 신호를 전류 및 전압으로 변환하는 광전자 장치에 적용됩니다. 예를 들어, 보이지 않는 적외선 신호의 이미지는 광전자 방출 현상을 기반으로 작동하는 장치를 사용하여 보이는 이미지로 변환될 수 있습니다. 광전자 방사선도 작용 광전지에서, 다양한 전자-광 변환기, 광전자 증배관, 포토레지스터, 포토다이오드, 전자빔 튜브 등
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