Radiasi fotoelektron — arti fisik, hukum dan aplikasi
Fenomena emisi fotoelektron (atau efek fotolistrik eksternal) ditemukan secara eksperimental pada tahun 1887 oleh Heinrich Hertz selama percobaan rongga terbuka. Ketika Hertz mengarahkan radiasi ultraviolet ke percikan seng, pada saat yang sama lewatnya percikan listrik melaluinya terasa lebih mudah.
Dengan demikian, radiasi fotoelektron dapat disebut proses emisi elektron dalam ruang hampa (atau media lain) dari benda padat atau cair di bawah pengaruh radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya. Yang paling signifikan dalam praktiknya adalah emisi fotoelektron dari benda padat — dalam ruang hampa.
1. Radiasi elektromagnetik dengan komposisi spektral konstan yang jatuh pada photocathode menyebabkan arus foto jenuh I, yang nilainya sebanding dengan iradiasi katoda, yaitu jumlah fotoelektron yang terlempar (dipancarkan) dalam 1 detik sebanding dengan intensitas radiasi insiden F .
2.Untuk setiap zat, sesuai dengan sifat kimianya dan dengan keadaan tertentu dari permukaannya, yang menentukan fungsi kerja Ф elektron dari suatu zat tertentu, terdapat batas radiasi fotoelektron gelombang panjang (merah), yaitu , frekuensi minimum v0 di bawahnya efek fotolistrik tidak mungkin terjadi.
3. Kecepatan awal maksimum fotoelektron ditentukan oleh frekuensi radiasi datang dan tidak bergantung pada intensitasnya. Dengan kata lain, energi kinetik maksimum fotoelektron meningkat secara linier dengan meningkatnya frekuensi radiasi yang datang dan tidak bergantung pada intensitas radiasi ini.
Hukum efek fotolistrik eksternal pada prinsipnya akan benar-benar dipenuhi hanya pada suhu nol mutlak, sedangkan pada kenyataannya, pada T > 0 K, emisi fotoelektron juga diamati pada panjang gelombang yang lebih panjang daripada panjang gelombang cut-off, meskipun dengan sejumlah kecil memancarkan elektron. Pada intensitas radiasi insiden yang sangat tinggi (lebih dari 1 W / cm 2 ), undang-undang ini juga dilanggar, karena tingkat keparahan proses multifoton menjadi jelas dan signifikan.
Secara fisik, fenomena emisi fotoelektron adalah tiga proses yang berurutan.
Pertama, foton yang datang diserap oleh zat, akibatnya elektron dengan energi lebih tinggi dari rata-rata volume muncul di dalam zat. Elektron ini bergerak ke permukaan tubuh dan di sepanjang jalan sebagian energinya dihamburkan, karena dalam perjalanannya elektron tersebut berinteraksi dengan elektron lain dan getaran kisi kristal. Akhirnya, elektron memasuki ruang hampa atau media lain di luar tubuh, melewati penghalang potensial di batas antara kedua media ini.
Seperti tipikal untuk logam, di bagian spektrum tampak dan ultraviolet, foton diserap oleh elektron konduksi. Untuk semikonduktor dan dielektrik, elektron tereksitasi dari pita valensi. Bagaimanapun, karakteristik kuantitatif dari emisi fotoelektron adalah hasil kuantum — Y — jumlah elektron yang dipancarkan per foton yang datang.
Hasil kuantum tergantung pada sifat-sifat zat, pada keadaan permukaannya, serta pada energi foton yang datang.
Pada logam, batas panjang gelombang emisi fotoelektron ditentukan oleh fungsi kerja elektron dari permukaannya.Kebanyakan logam permukaan bersih memiliki fungsi kerja di atas 3 eV, sedangkan logam alkali memiliki fungsi kerja 2 hingga 3 eV.
Untuk alasan ini, emisi fotoelektron dari permukaan logam alkali dan alkali tanah dapat diamati bahkan ketika disinari dengan foton di wilayah spektrum tampak, bukan hanya UV. Sedangkan pada logam biasa, emisi fotoelektron hanya dimungkinkan mulai dari frekuensi UV.
Ini digunakan untuk mengurangi fungsi kerja logam: sebuah film (lapisan monoatomik) logam alkali dan alkali tanah diendapkan pada logam biasa dan dengan demikian batas merah emisi fotoelektron bergeser ke wilayah gelombang yang lebih panjang.
Hasil kuantum Y karakteristik logam di daerah dekat-UV dan tampak adalah urutan kurang dari 0,001 elektron/foton karena kedalaman kebocoran fotoelektron kecil dibandingkan dengan kedalaman penyerapan cahaya logam.Bagian terbesar dari fotoelektron menghilangkan energinya bahkan sebelum mendekati batas keluar logam, kehilangan kesempatan untuk keluar.
Jika energi foton dekat dengan ambang fotoemisi, maka sebagian besar elektron akan tereksitasi pada energi di bawah tingkat vakum dan tidak akan berkontribusi pada arus fotoemisi. Selain itu, koefisien pantulan di dekat UV dan daerah tampak terlalu tinggi untuk logam, sehingga hanya sebagian kecil dari radiasi yang akan diserap oleh logam sama sekali. Di wilayah UV jauh, batas ini menurun dan Y mencapai 0,01 elektron/foton pada energi foton di atas 10 eV.
Gambar tersebut menunjukkan ketergantungan spektral hasil kuantum fotoemisi untuk permukaan tembaga murni:
Kontaminasi permukaan logam mengurangi arus foto dan menggeser batas merah ke daerah panjang gelombang yang lebih panjang; pada saat yang sama, untuk wilayah UV jauh dalam kondisi ini, Y dapat meningkat.
Radiasi fotoelektron menemukan aplikasi dalam perangkat fotoelektronik yang mengubah sinyal elektromagnetik dari berbagai rentang menjadi arus dan tegangan listrik. Misalnya, gambar dalam sinyal inframerah tak kasat mata dapat diubah menjadi gambar tampak menggunakan perangkat yang bekerja berdasarkan fenomena emisi fotoelektron. Radiasi fotoelektron juga bekerja dalam fotosel, dalam berbagai konverter elektronik-optik, dalam pengganda foto, fotoresistor, fotodioda, dalam tabung berkas elektron, dll.
Lihat juga:Bagaimana proses konversi energi matahari menjadi energi listrik bekerja