Rayonnement photoélectronique — signification physique, lois et applications
Le phénomène d'émission de photoélectrons (ou effet photoélectrique externe) a été découvert expérimentalement en 1887 par Heinrich Hertz lors d'une expérience en cavité ouverte. Lorsque Hertz dirigeait un rayonnement ultraviolet sur des étincelles de zinc, le passage d'une étincelle électrique à travers elles était sensiblement plus facile.
Ainsi, le rayonnement photoélectronique peut être appelé le processus d'émission d'électrons dans le vide (ou dans un autre milieu) à partir de corps solides ou liquides sous l'influence d'un rayonnement électromagnétique tombant sur eux. Le plus important dans la pratique est l'émission de photoélectrons des corps solides - dans le vide.
1. Le rayonnement électromagnétique avec une composition spectrale constante tombant sur la photocathode provoque un photocourant saturé I, dont la valeur est proportionnelle à l'irradiation de la cathode, c'est-à-dire que le nombre de photoélectrons assommés (émis) en 1 seconde est proportionnel à l'intensité du rayonnement incident F.
2.Pour chaque substance, en fonction de sa nature chimique et d'un certain état de sa surface, qui déterminent le travail de sortie Ф des électrons d'une substance donnée, il existe une limite à ondes longues (rouge) du rayonnement photoélectronique, c'est-à-dire , la fréquence minimale v0 en dessous de laquelle l'effet photoélectrique est impossible.
3. La vitesse initiale maximale des photoélectrons est déterminée par la fréquence du rayonnement incident et ne dépend pas de son intensité. En d'autres termes, l'énergie cinétique maximale des photoélectrons augmente linéairement avec l'augmentation de la fréquence du rayonnement incident et ne dépend pas de l'intensité de ce rayonnement.
Les lois de l'effet photoélectrique externe ne seraient en principe strictement satisfaites qu'à la température du zéro absolu, alors qu'en fait, à T > 0 K, l'émission de photoélectrons est également observée à des longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde de coupure, mais avec un petit nombre de émettant des électrons. À une intensité de rayonnement incident extrêmement élevée (plus de 1 W / cm 2 ), ces lois sont également violées, car la gravité des processus multiphotoniques devient évidente et significative.
Physiquement, le phénomène d'émission de photoélectrons est constitué de trois processus consécutifs.
Premièrement, le photon incident est absorbé par la substance, à la suite de quoi un électron d'énergie supérieure à la moyenne sur le volume apparaît à l'intérieur de la substance. Cet électron se déplace vers la surface du corps et en chemin une partie de son énergie est dissipée, car en chemin un tel électron interagit avec d'autres électrons et vibrations du réseau cristallin. Enfin, l'électron pénètre dans un vide ou un autre milieu à l'extérieur du corps, en passant à travers une barrière de potentiel à la frontière entre ces deux milieux.
Comme c'est le cas pour les métaux, dans les parties visible et ultraviolette du spectre, les photons sont absorbés par les électrons de conduction. Pour les semi-conducteurs et les diélectriques, les électrons sont excités à partir de la bande de valence. Dans tous les cas, une caractéristique quantitative de l'émission de photoélectrons est le rendement quantique - Y - le nombre d'électrons émis par photon incident.
Le rendement quantique dépend des propriétés de la substance, de l'état de sa surface, ainsi que de l'énergie des photons incidents.
Dans les métaux, la limite d'émission de photoélectrons à grande longueur d'onde est déterminée par le travail de sortie de l'électron à partir de leur surface. La plupart des métaux de surface propres ont un travail de sortie supérieur à 3 eV, tandis que les métaux alcalins ont un travail de sortie de 2 à 3 eV.
Pour cette raison, l'émission de photoélectrons à partir de la surface des métaux alcalins et alcalino-terreux peut être observée même lorsqu'ils sont irradiés avec des photons dans la région visible du spectre, pas seulement les UV. Alors que dans les métaux ordinaires, l'émission de photoélectrons n'est possible qu'à partir des fréquences UV.
Ceci est utilisé pour réduire la fonction de travail du métal : un film (couche monoatomique) de métaux alcalins et alcalino-terreux est déposé sur un métal ordinaire et ainsi la limite rouge d'émission de photoélectrons est déplacée vers la région des ondes plus longues.
Le rendement quantique Y caractéristique des métaux dans le proche UV et le visible est de l'ordre de moins de 0,001 électron/photon car la profondeur de fuite des photoélectrons est faible par rapport à la profondeur d'absorption lumineuse du métal.La part du lion des photoélectrons dissipent leur énergie avant même d'approcher la limite de sortie du métal, perdant toute chance de sortie.
Si l'énergie des photons est proche du seuil de photoémission, alors la plupart des électrons seront excités à des énergies inférieures au niveau de vide et ils ne contribueront pas au courant de photoémission. De plus, le coefficient de réflexion dans les régions proche UV et visible est trop élevé pour les métaux, de sorte que seule une très petite fraction du rayonnement sera absorbée par le métal. Dans la région de l'UV lointain, ces limites diminuent et Y atteint 0,01 électron/photon à des énergies photoniques supérieures à 10 eV.
La figure montre la dépendance spectrale du rendement quantique de photoémission pour une surface de cuivre pur :
La contamination de la surface métallique réduit le photocourant et déplace la limite rouge vers la région de longueur d'onde plus longue; en même temps, pour la région UV lointaine dans ces conditions, Y peut augmenter.
Le rayonnement photoélectronique trouve une application dans les dispositifs photoélectroniques qui convertissent les signaux électromagnétiques de diverses gammes en courants et tensions électriques. Par exemple, une image en signaux infrarouges invisibles peut être convertie en une image visible à l'aide d'un dispositif qui fonctionne sur la base du phénomène d'émission de photoélectrons. Le rayonnement photoélectronique fonctionne également dans les photocellules, dans divers convertisseurs électro-optiques, dans des photomultiplicateurs, des photorésistances, des photodiodes, dans des tubes à faisceau électronique, etc.
Voir également:Comment fonctionne le processus de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique