Emission mechanism[edit]
The photons of a light beam have a characteristic energy proportional to the frequency of the light. In the photoemission process, if an electron within some material absorbs the energy of one photon and acquires more energy than the work function (the electron binding energy) of the material, it is ejected. If the photon energy is too low, the electron is unable to escape the material. Since an increase in the intensity of low-frequency light will only increase the number of low-energy photons sent over a given interval of time, this change in intensity will not create any single photon with enough energy to dislodge an electron. Thus, the energy of the emitted electrons does not depend on the intensity of the incoming light, but only on the energy (equivalently frequency) of the individual photons. It is an interaction between the incident photon and the outermost electrons.
Electrons can absorb energy from photons when irradiated, but they usually follow an "all or nothing" principle. All of the energy from one photon must be absorbed and used to liberate one electron from atomic binding, or else the energy is re-emitted. If the photon energy is absorbed, some of the energy liberates the electron from the atom, and the rest contributes to the electron's kinetic energy as a free particle.[6][7][8]
Experimental observations of photoelectric emission[edit]
The theory of the photoelectric effect must explain the experimental observations of the emission of electrons from an illuminated metal surface.
For a given metal, there exists a certain minimum frequency of incident radiation below which no photoelectrons are emitted. This frequency is called the threshold frequency. Increasing the frequency of the incident beam, keeping the number of incident photons fixed (this would result in a proportionate increase in energy) increases the maximum kinetic energy of the photoelectrons emitted. Thus the stopping voltage increases. The number of electrons also changes because the probability that each photon results in an emitted electron is a function of photon energy. If the intensity of the incident radiation of a given frequency is increased, there is no effect on the kinetic energy of each photoelectron.
Above the threshold frequency, the maximum kinetic energy of the emitted photoelectron depends on the frequency of the incident light, but is independent of the intensity of the incident light so long as the latter is not too high.[9]
For a given metal and frequency of incident radiation, the rate at which photoelectrons are ejected is directly proportional to the intensity of the incident light. An increase in the intensity of the incident beam (keeping the frequency fixed) increases the magnitude of the photoelectric current, although the stopping voltage remains the same.
The time lag between the incidence of radiation and the emission of a photoelectron is very small, less than 10−9 second.
The direction of distribution of emitted electrons peaks in the direction of polarization (the direction of the electric field) of the incident light, if it is linearly polarized.[10]
Mathematical description[edit]
Diagram of the maximum kinetic energy as a function of the frequency of light on zinc
The maximum kinetic energy K_max of an ejected electron is given by
K_max = h,f - varphi,
where h is the Planck constant and f is the frequency of the incident photon. The term varphi is the work function (sometimes denoted W, or phi[11]), which gives the minimum energy required to remove a delocalised electron from the surface of the metal. The work function satisfies
varphi = h,f_0,
where f_0 is the threshold frequency for the metal. The maximum kinetic energy of an ejected electron is then
K_max = h left(f - f_0
ight).
Kinetic energy is positive, so we must have f > f_0 for the photoelectric effect to occur.[12]
Stopping potential[edit]
The relation between current and applied voltage illustrates the nature of the photoelectric effect. For discussion, a light source illuminates a plate P, and another plate electrode Q collects any emitted electrons. We vary the potential between P and Q and measure the current flowing in the external circuit between the two plates.
If the frequency and the intensity of the incident radiation are fixed, the photoelectric current increases gradually with an increase in the positive potential on the collector electrode until all the photoelectrons emitted are collected. The photoelectric current attains a saturation value and does not increase further for any increase in the positive potential. The saturation current increases with the increase of the light intensity. It also increases with greater frequencies due to a greater probability of electron emission when collisions happen with higher energy photons.
If we apply a negative potential to the collector plate Q with respect to the plate P and gradually increase it, the photoelectric current decreases, becoming zero at a certain negative potential. The negative potential on the collector at which the photoelectric current becomes zero is called the stopping potential or cut off potential[13]
i. For a given frequency of incident radiation, the stopping potential is independent of its intensity.
ii. For a given frequency of incident radiation, the stopping potential is determined by the maximum kinetic energy K_maxof the photoelectrons that are emitted. If qe is the charge on the electron and V_0 is the stopping potential, then the work done by the retarding potential in stopping the electron is q_eV_0, so we have
q_eV_0 = K_max.
Recalling
K_max = h left(f - f_0
ight),
we see that the stopping voltage varies linearly with frequency of light, but depends on the type of material. For any particular material, there is a threshold frequency that must be exceeded, independent of light intensity, to observe any electron emission.
Three-step model[edit]
In the X-ray regime, the photoelectric effect in crystalline material is often decomposed into three steps:[14]:50–51
Inner photoelectric effect (see photodiode below[clarification needed]). The hole left behind can give rise to auger effect, which is visible even when the electron does not leave the material. In molecular solids phonons are excited in this step and may be visible as lines in the final electron energy. The inner photoeffect has to be dipole allowed.[clarification needed] The transition rules for atoms translate via the tight-binding model onto the crystal.[clarification needed] They are similar in geometry to plasma oscillations in that they have to be transversal.
Ballistic transport[clarification needed] of half of the electrons to the surface. Some electrons are scattered.
Electrons escape from the material at the surface.
In the three-step model, an electron can take multiple paths through these three steps. All paths can interfere in the sense of the path integral formulation. For surface states and molecules the three-step model does still make some sense as even most atoms have multiple electrons which can scatter the one electron leaving.[citation needed]
Emission mechanism[edit]The photons of a light beam have a characteristic energy proportional to the frequency of the light. In the photoemission process, if an electron within some material absorbs the energy of one photon and acquires more energy than the work function (the electron binding energy) of the material, it is ejected. If the photon energy is too low, the electron is unable to escape the material. Since an increase in the intensity of low-frequency light will only increase the number of low-energy photons sent over a given interval of time, this change in intensity will not create any single photon with enough energy to dislodge an electron. Thus, the energy of the emitted electrons does not depend on the intensity of the incoming light, but only on the energy (equivalently frequency) of the individual photons. It is an interaction between the incident photon and the outermost electrons.Electrons can absorb energy from photons when irradiated, but they usually follow an "all or nothing" principle. All of the energy from one photon must be absorbed and used to liberate one electron from atomic binding, or else the energy is re-emitted. If the photon energy is absorbed, some of the energy liberates the electron from the atom, and the rest contributes to the electron's kinetic energy as a free particle.[6][7][8]Experimental observations of photoelectric emission[edit]The theory of the photoelectric effect must explain the experimental observations of the emission of electrons from an illuminated metal surface.For a given metal, there exists a certain minimum frequency of incident radiation below which no photoelectrons are emitted. This frequency is called the threshold frequency. Increasing the frequency of the incident beam, keeping the number of incident photons fixed (this would result in a proportionate increase in energy) increases the maximum kinetic energy of the photoelectrons emitted. Thus the stopping voltage increases. The number of electrons also changes because the probability that each photon results in an emitted electron is a function of photon energy. If the intensity of the incident radiation of a given frequency is increased, there is no effect on the kinetic energy of each photoelectron.Above the threshold frequency, the maximum kinetic energy of the emitted photoelectron depends on the frequency of the incident light, but is independent of the intensity of the incident light so long as the latter is not too high.[9]For a given metal and frequency of incident radiation, the rate at which photoelectrons are ejected is directly proportional to the intensity of the incident light. An increase in the intensity of the incident beam (keeping the frequency fixed) increases the magnitude of the photoelectric current, although the stopping voltage remains the same.The time lag between the incidence of radiation and the emission of a photoelectron is very small, less than 10−9 second.The direction of distribution of emitted electrons peaks in the direction of polarization (the direction of the electric field) of the incident light, if it is linearly polarized.[10]Mathematical description[edit]Diagram of the maximum kinetic energy as a function of the frequency of light on zincThe maximum kinetic energy K_max of an ejected electron is given byK_max = h,f - varphi,where h is the Planck constant and f is the frequency of the incident photon. The term varphi is the work function (sometimes denoted W, or phi[11]), which gives the minimum energy required to remove a delocalised electron from the surface of the metal. The work function satisfiesvarphi = h,f_0,where f_0 is the threshold frequency for the metal. The maximum kinetic energy of an ejected electron is thenK_max = h left(f - f_0
ight).Kinetic energy is positive, so we must have f > f_0 for the photoelectric effect to occur.[12]Stopping potential[edit]The relation between current and applied voltage illustrates the nature of the photoelectric effect. For discussion, a light source illuminates a plate P, and another plate electrode Q collects any emitted electrons. We vary the potential between P and Q and measure the current flowing in the external circuit between the two plates.If the frequency and the intensity of the incident radiation are fixed, the photoelectric current increases gradually with an increase in the positive potential on the collector electrode until all the photoelectrons emitted are collected. The photoelectric current attains a saturation value and does not increase further for any increase in the positive potential. The saturation current increases with the increase of the light intensity. It also increases with greater frequencies due to a greater probability of electron emission when collisions happen with higher energy photons.If we apply a negative potential to the collector plate Q with respect to the plate P and gradually increase it, the photoelectric current decreases, becoming zero at a certain negative potential. The negative potential on the collector at which the photoelectric current becomes zero is called the stopping potential or cut off potential[13]i. For a given frequency of incident radiation, the stopping potential is independent of its intensity.ii. For a given frequency of incident radiation, the stopping potential is determined by the maximum kinetic energy K_maxof the photoelectrons that are emitted. If qe is the charge on the electron and V_0 is the stopping potential, then the work done by the retarding potential in stopping the electron is q_eV_0, so we haveq_eV_0 = K_max.RecallingK_max = h left(f - f_0
ight),we see that the stopping voltage varies linearly with frequency of light, but depends on the type of material. For any particular material, there is a threshold frequency that must be exceeded, independent of light intensity, to observe any electron emission.Three-step model[edit]In the X-ray regime, the photoelectric effect in crystalline material is often decomposed into three steps:[14]:50–51Inner photoelectric effect (see photodiode below[clarification needed]). The hole left behind can give rise to auger effect, which is visible even when the electron does not leave the material. In molecular solids phonons are excited in this step and may be visible as lines in the final electron energy. The inner photoeffect has to be dipole allowed.[clarification needed] The transition rules for atoms translate via the tight-binding model onto the crystal.[clarification needed] They are similar in geometry to plasma oscillations in that they have to be transversal.Ballistic transport[clarification needed] of half of the electrons to the surface. Some electrons are scattered.Electrons escape from the material at the surface.In the three-step model, an electron can take multiple paths through these three steps. All paths can interfere in the sense of the path integral formulation. For surface states and molecules the three-step model does still make some sense as even most atoms have multiple electrons which can scatter the one electron leaving.[citation needed]
การแปล กรุณารอสักครู่..
[ ]
แก้ไขกลไกการปล่อยโฟตอนของแสง แสงเป็นพลังงานมีลักษณะสัดส่วนของความถี่ของแสง ในกระบวนการด้าน ถ้าอิเล็กตรอนภายในวัสดุดูดซับพลังงานของโฟตอน และได้รับพลังงานมากกว่าฟังก์ชันการทำงาน ( อิเล็กตรอนพลังงานปก ) ของวัสดุ มันออก . ถ้าโฟตอนพลังงานต่ำเกินไปอิเล็กตรอนไม่สามารถหนีวัสดุ เนื่องจากการเพิ่มขึ้นในความเข้มของแสงความถี่ต่ำจะเพิ่มจำนวนโฟตอนพลังงานต่ำส่งมอบช่วงเวลาเปลี่ยนความเข้มนี้จะไม่สร้างโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอที่จะขับเดี่ยวเป็นอิเล็กตรอน ดังนั้นพลังงานของอิเล็กตรอนที่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่เข้ามาแต่พลังงาน ( ก้องความถี่ของโฟตอนแต่ละ มันเป็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างเหตุการณ์โฟตอน และอิเล็กตรอนนอกสุด
อิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานจากโฟตอนเมื่อฉายรังสี แต่พวกเขามักจะตามทั้งหมด " หรือหลักการอะไรเลย " ทั้งหมดของพลังงานจากโฟตอนจะต้องถูกดูดซึม และใช้เพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งผูกหรืออื่น ๆที่เป็นพลังงานที่ปล่อยออกมา ถ้าพลังงานโฟตอนถูกดูดซึม , บางส่วนของพลังงานที่ปล่อยอิเล็กตรอนจากอะตอม และที่เหลือจัดสรรพลังงานของอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคอิสระ [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
ทดลองเปรียบเทียบการแก้ไข ]
ตาแมวทฤษฎีของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกต้องอธิบายการสังเกตทดลองการปล่อยอิเล็กตรอนจากสว่างผิวโลหะ
เพื่อให้โลหะ มีอยู่บางขั้นต่ําความถี่ของรังสีที่เกิดขึ้นด้านล่าง ซึ่งไม่มีโฟโต้อิเลคตรถูกปล่อยออกมา ความถี่นี้เรียกว่า ค่าความถี่ การเพิ่มความถี่ของเหตุการณ์ บีมรักษาจำนวนของโฟตอนเหตุการณ์ถาวร ( นี้จะส่งผลในการเพิ่มสัดส่วนในการใช้พลังงานสูงสุด ) เพิ่มพลังงานของโฟโต้อิเลคตรที่ปล่อยออกมา ดังนั้นการเพิ่มแรงดัน จำนวนอิเล็กตรอนจะเปลี่ยน เพราะการที่แต่ละผลลัพธ์ในการปล่อยโฟตอนอิเล็กตรอนเป็นฟังก์ชันของโฟตอนพลังงานถ้าความเข้มของรังสีความถี่ของเหตุการณ์ที่ได้รับเพิ่มขึ้น ไม่มีผลกระทบต่อพลังงานจลน์ของแต่ละ photoelectron
เกณฑ์ความถี่สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนพลังงานจลน์ที่ขึ้นอยู่กับความถี่ของแสงเกิดขึ้น แต่เป็นอิสระของความเข้มของแสงที่เกิดขึ้นตราบใดที่หลังไม่สูงจนเกินไป [ 9 ]
เพื่อให้โลหะและความถี่ของรังสีที่เกิดขึ้น , อัตราที่โฟโต้อิเลคตรจะพุ่งออกเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสงที่เกิดขึ้น เพิ่มความรุนแรงของเหตุการณ์ บีม ( รักษาความถี่คงที่ ) เพิ่มขนาดของตาแมว ปัจจุบันแม้ว่าหยุดดันยังคงเดิม
เวลาล่าช้าระหว่างการเกิดและการปล่อยรังสีของโฟโตอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากน้อยกว่า 10 − 9 วินาที
ทิศทางการกระจายของอิเล็กตรอนที่ยอดในทิศทางของการโพลาไรซ์ ( ทิศทางของสนามไฟฟ้าของแสงที่เกิดขึ้น ถ้ามันเป็นเชิงขั้ว [ 10 ]
คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ [ แก้ไข ]
แผนภาพของพลังงานจลน์สูงสุดเป็นฟังก์ชันของความถี่ของแสงบนสังกะสี
สูงสุดพลังงานจลน์ k_ สูงสุดของอิเล็กตรอนออกมาให้
k_ max = H , F - varphi
h , ที่เป็นข่าวแต้มสีและ f คือความถี่ของเหตุการณ์โฟตอน . คำว่า varphi เป็นฟังก์ชันงาน ( บางครั้งเขียนแทน W , N หรือพีพี [ 11 ] )ซึ่งให้พลังงานขั้นต่ำที่ต้องเอา delocalised อิเล็กตรอนจากพื้นผิวของโลหะ งานฟังก์ชันน่าพอใจ
f_0 varphi = H ,
, ที่ f_0 คือความถี่ขีดเริ่ม สำหรับโลหะ พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนจะออกแล้ว
k_ max = H N ซ้าย ( F - f_0 สิทธิ ) .
พลังงานจลน์เป็นบวก ดังนั้นเราต้องมี F > f_0 สำหรับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเกิดขึ้น . [ 12 ]
หยุดศักยภาพ [ แก้ไข ]
ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ที่แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก . สำหรับการอภิปราย , แสงส่องสว่างแผ่น P และอีกจานไฟฟ้า Q รวบรวมใด ๆที่ปล่อยอิเล็กตรอน เราเปลี่ยนที่อาจเกิดขึ้นระหว่าง P และ Q และวัดกระแสที่ไหลในวงจรภายนอกระหว่างสองแผ่น
ถ้าความถี่และความรุนแรงของเหตุการณ์การแก้ไข , Photoelectric ปัจจุบันค่อยๆเพิ่มขึ้นด้วยการเพิ่มศักยภาพบวกกับนักสะสมที่ขั้วจนโฟโต้อิเลคตรที่ปล่อยออกมาจะถูกเก็บรวบรวม กระแสโฟโตอิเล็กทริกได้ค่าอิ่มตัวและไม่เพิ่มขึ้นอีก เพื่อเพิ่มศักยภาพในเชิงบวกใด ๆความอิ่มตัวของสีปัจจุบันเพิ่มขึ้นกับการเพิ่มขึ้นของความเข้มแสง นอกจากนี้ยังเพิ่มความถี่มากขึ้น เนื่องจากมีความเป็นไปได้มากขึ้นของการปล่อยอิเล็กตรอนเมื่อการชนกันเกิดขึ้นกับโฟตอนพลังงานสูง
ถ้าเราใช้ศักยภาพเชิงลบที่จะเก็บจานถามด้วยความเคารพจาน P และค่อยๆเพิ่มขึ้น , Photoelectric ปัจจุบันลดลงกลายเป็นศูนย์ที่บางเชิงลบที่อาจเกิดขึ้น ลบที่อาจเกิดขึ้นกับนักสะสมที่ตาแมว ปัจจุบันกลายเป็นศูนย์เรียกว่าหยุดที่มีศักยภาพหรือตัดศักยภาพ [ 13 ]
ผมให้ความถี่ของเหตุการณ์รังสี , การหยุดที่มีศักยภาพเป็นอิสระของความเข้มของมัน
2 ให้ความถี่ของรังสี เหตุการณ์การหยุดอาจจะกำหนดโดย k_ พลังงานจลน์สูงสุด N maxof ที่โฟโต้อิเลคตรที่ถูกปล่อยออกมา ถ้า QE เป็นค่าใช้จ่ายเกี่ยวกับอิเล็กตรอนและ v_0 คือหยุดความสามารถ มันทำงานโดยการศักยภาพในการหยุดอิเล็กตรอนเป็น q_ev_0 ดังนั้นเราได้
q_ev_0 = k_ .
นึกถึง
k_ max = H ( F - f_0 N ซ้ายขวา )
เราเห็นว่าจะหยุดแรงดันตามความถี่ของแสง แต่ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุใด ๆ มีเกณฑ์ที่จะต้องเกินความถี่อิสระ ความเข้มแสง สังเกตมีอิเล็กตรอนออก
3 ขั้นตอนรูปแบบ [ แก้ไข ]
ในเอ็กซ์เรย์ ระบอบการปกครอง ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกในวัสดุคริสตัลมักจะย่อยสลายออกเป็นสามขั้นตอน : [ 14 ] :50 - 51
ผลตาแมวภายใน ( เห็นโฟโตไดโอดด้านล่าง [ ชี้แจงจำเป็น ] ) หลุมทิ้งไว้จะก่อให้เกิดผลกระทบสว่าน ซึ่งสามารถมองเห็นได้แม้เมื่ออิเล็กตรอนไม่ทิ้งวัสดุ โมเลกุลในของแข็งโฟนอนตื่นเต้นในขั้นตอนนี้และอาจจะมองเห็นเป็นเส้นในอิเล็กตรอนพลังงานขั้นสุดท้าย การ photoeffect ชั้นในเป็นโพลที่ได้รับอนุญาต[ ชี้แจงจำเป็น ] การเปลี่ยนแปลงกฎสำหรับอะตอมแปลผ่านรูปแบบการผูกแน่นลงบนผลึก [ ชี้แจงจำเป็น ] พวกเขาจะคล้ายกันในเรขาคณิตกับพลาสมา การสั่นในที่พวกเขาต้องถูกขวาง
[ ชี้แจงจำเป็น ] ขีปนาวุธขนส่งของครึ่งหนึ่งของอิเล็กตรอนไปยังพื้นผิว บางตัวมีอยู่ .
อิเล็กตรอนออกจากวัสดุที่พื้นผิว .
ใน 3 โมเดล อิเล็กตรอนสามารถใช้หลายเส้นทางผ่านขั้นตอนเหล่านี้สาม ทุกเส้นทางสามารถแทรกแซงในความรู้สึกของเส้นทางและการกำหนด สำหรับสภาพผิวและโมเลกุลขั้นตอนที่สามรูปแบบจะยังคงให้ความรู้สึกบางอย่างแม้ที่สุดอะตอมมีอิเล็กตรอนหลายซึ่งสามารถหนึ่งอิเล็กตรอนออกจากกระจาย . [ อ้างอิงที่จำเป็น ]
การแปล กรุณารอสักครู่..