光電子放射線 — 物理的意味、法則、応用
光電子放出 (または外部光電効果) の現象は、1887 年に開放空洞実験中にハインリッヒ ヘルツによって実験的に発見されました。ハーツが亜鉛火花に紫外線を照射すると、同時に電気火花が亜鉛火花を通過するのが著しく容易になりました。
したがって、 光電子放射は、固体または液体に当たる電磁放射の影響下で、真空中 (または別の媒体中) で固体または液体から電子が放出されるプロセスと呼ぶことができます。 実際に最も重要なのは、真空中の固体からの光電子放出です。
1. 一定のスペクトル組成を持つ電磁放射線が光電陰極に入射すると、飽和光電流 I が発生します。その値は陰極の照射量に比例します。つまり、1 秒間にノックアウトされる (放出される) 光電子の数は、入射放射線の強度 F.
2.各物質には、その化学的性質と、その物質からの電子の仕事関数 Ф を決定する表面の特定の状態に従って、光電子放射の長波 (赤色) の限界があります。 、それ以下では光電効果が不可能となる最小周波数 v0。
3. 光電子の最大初速度は、入射放射線の周波数によって決まり、その強度には依存しません。言い換えれば、光電子の最大運動エネルギーは、入射放射線の周波数が増加するにつれて直線的に増加し、この放射線の強度には依存しません。
外部光電効果の法則は原則として絶対零度でのみ厳密に満たされますが、実際には T > 0 K では、光電子放出は、少数ではありますが、カットオフ波長よりも長い波長でも観察されます。電子を放出している。入射放射線の強度が非常に高い場合（1 W / cm 2 以上）、多光子プロセスの深刻さが明白かつ重大になるため、これらの法則にも違反します。
物理的には、光電子放出の現象は 3 つの連続したプロセスです。
まず、入射した光子は物質に吸収され、その結果、体積の平均よりも高いエネルギーを持った電子が物質内部に出現します。この電子は物体の表面に移動し、途中でそのような電子が他の電子や結晶格子の振動と相互作用するため、そのエネルギーの一部が散逸されます。最後に、電子は体外の真空または他の媒体に入り、これら 2 つの媒体間の境界にあるポテンシャル障壁を通過します。
金属では一般的ですが、スペクトルの可視および紫外部分では、光子は伝導電子によって吸収されます。半導体および誘電体の場合、電子は価電子帯から励起されます。いずれの場合も、光電子放出の定量的特性は、入射光子ごとに放出される電子の数である量子収率、Y です。
量子収量は、物質の特性、その表面の状態、および入射光子のエネルギーに依存します。
金属では、光電子放出の長波長限界は、その表面からの電子の仕事関数によって決まります。ほとんどのきれいな表面金属の仕事関数は 3 eV 以上ですが、アルカリ金属の仕事関数は 2 ～ 3 eV です。
このため、紫外線だけでなく可視スペクトル領域の光子を照射した場合でも、アルカリ金属やアルカリ土類金属の表面からの光電子放出が観察されます。通常の金属では、光電子放出は UV 周波数からのみ可能です。
これは金属の仕事関数を下げるために使用されます。通常の金属上にアルカリ金属およびアルカリ土類金属の膜（単原子層）が堆積され、光電子放出の赤限界が長波の領域にシフトされます。
近紫外領域および可視領域における金属の量子収率 Y 特性は、光電子の漏れ深さが金属の光吸収深さに比べて小さいため、0.001 電子/光子未満程度です。大部分の光電子は、金属の出口境界に近づく前にエネルギーを散逸し、出口の機会を失います。
光子エネルギーが光電子放出閾値に近い場合、ほとんどの電子は真空準位以下のエネルギーで励起され、光電子放出電流に寄与しなくなります。さらに、近紫外および可視領域の反射係数は金属にとって高すぎるため、金属によって吸収されるのは放射線のごく一部だけです。遠紫外領域では、これらの限界は減少し、10 eV を超える光子エネルギーでは Y は 0.01 電子/光子に達します。
この図は、純銅表面の光電子放出量子収率のスペクトル依存性を示しています。
金属表面が汚染されると光電流が減少し、赤の限界がより長い波長領域にシフトします。同時に、これらの条件下の遠紫外領域では、Y が増加する可能性があります。
光電子放射は、さまざまな範囲の電磁信号を電流と電圧に変換する光電子デバイスに応用されています。たとえば、光電子放出現象に基づいて動作するデバイスを使用すると、目に見えない赤外線信号の画像を可視画像に変換できます。光電子放射線も効果あり 光電池で、さまざまな電子光変換器、光電子増倍管、フォトレジスタ、フォトダイオード、電子ビーム管などに使用されます。
以下も参照してください。太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスの仕組み