फोटोइलेक्ट्रॉन रेडिएशन - भौतिक अर्थ, कायदे आणि अनुप्रयोग

फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जन (किंवा बाह्य फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव) ची घटना 1887 मध्ये हेनरिक हर्ट्झ यांनी खुल्या पोकळीच्या प्रयोगादरम्यान प्रायोगिकरित्या शोधली. जेव्हा हर्ट्झने झिंक स्पार्क्सवर अल्ट्राव्हायोलेट रेडिएशन निर्देशित केले, त्याच वेळी त्यांच्यामधून इलेक्ट्रिक स्पार्क जाणे लक्षणीय सोपे होते.

अशा प्रकारे, फोटोइलेक्ट्रॉन रेडिएशनला विद्युत चुंबकीय किरणोत्सर्गाच्या प्रभावाखाली घन किंवा द्रव शरीरातून व्हॅक्यूममध्ये (किंवा दुसर्या माध्यमात) इलेक्ट्रॉनांच्या उत्सर्जनाची प्रक्रिया म्हटले जाऊ शकते. सराव मध्ये सर्वात लक्षणीय म्हणजे घन शरीरातून फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जन - व्हॅक्यूममध्ये.

फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जन किंवा बाह्य फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाचे तीन नियम आहेत:

1. फोटोकॅथोडवर पडणाऱ्या स्थिर वर्णक्रमीय रचनेसह इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशनमुळे संतृप्त फोटोकरंट I होतो, ज्याचे मूल्य कॅथोडच्या विकिरणाच्या प्रमाणात असते, म्हणजेच 1 सेकंदात बाहेर पडलेल्या (उत्सर्जित) फोटोइलेक्ट्रॉनची संख्या याच्या प्रमाणात असते. घटनेच्या रेडिएशनची तीव्रता एफ.

2.प्रत्येक पदार्थासाठी, त्याच्या रासायनिक स्वरूपाच्या अनुषंगाने आणि त्याच्या पृष्ठभागाच्या विशिष्ट अवस्थेनुसार, जे दिलेल्या पदार्थापासून इलेक्ट्रॉनचे कार्य कार्य Ф निर्धारित करते, फोटोइलेक्ट्रॉन रेडिएशनची एक दीर्घ-वेव्ह (लाल) मर्यादा असते, म्हणजे. , किमान वारंवारता v0 ज्याच्या खाली फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव अशक्य आहे.

3. फोटोइलेक्ट्रॉनची जास्तीत जास्त प्रारंभिक गती घटना रेडिएशनच्या वारंवारतेद्वारे निर्धारित केली जाते आणि त्याच्या तीव्रतेवर अवलंबून नसते. दुसऱ्या शब्दांत, फोटोइलेक्ट्रॉनची कमाल गतिज ऊर्जा घटना किरणोत्सर्गाच्या वाढत्या वारंवारतेसह रेखीय वाढते आणि या किरणोत्सर्गाच्या तीव्रतेवर अवलंबून नसते.

बाह्य फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचे नियम तत्त्वतः पूर्णपणे शून्य तपमानावरच पाळले जातील, तर खरं तर, T > 0 K वर, फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जन कट-ऑफ तरंगलांबीपेक्षा जास्त तरंगलांबीवर देखील दिसून येते, जरी कमी संख्येने उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन. घटना रेडिएशनच्या अत्यंत उच्च तीव्रतेवर (1 डब्ल्यू / सेमी 2 पेक्षा जास्त), या कायद्यांचे देखील उल्लंघन केले जाते, कारण मल्टीफोटॉन प्रक्रियेची तीव्रता स्पष्ट आणि लक्षणीय बनते.

शारीरिकदृष्ट्या, फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जनाची घटना ही सलग तीन प्रक्रिया आहे.

प्रथम, घटना फोटॉन पदार्थाद्वारे शोषला जातो, परिणामी, पदार्थामध्ये सरासरीपेक्षा जास्त उर्जा असलेले इलेक्ट्रॉन दिसते. हा इलेक्ट्रॉन शरीराच्या पृष्ठभागावर सरकतो आणि त्याच्या ऊर्जेचा काही भाग नष्ट होतो, कारण वाटेत असा इलेक्ट्रॉन इतर इलेक्ट्रॉन आणि क्रिस्टल जाळीच्या कंपनांशी संवाद साधतो. शेवटी, इलेक्ट्रॉन या दोन माध्यमांमधील सीमेवरील संभाव्य अडथळ्यातून जात, शरीराबाहेर व्हॅक्यूम किंवा इतर माध्यमात प्रवेश करतो.

धातूसाठी वैशिष्ट्यपूर्ण आहे, स्पेक्ट्रमच्या दृश्यमान आणि अल्ट्राव्हायोलेट भागांमध्ये, वहन इलेक्ट्रॉनद्वारे फोटॉन शोषले जातात. सेमीकंडक्टर आणि डायलेक्ट्रिक्ससाठी, व्हॅलेन्स बँडमधून इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होतात. कोणत्याही परिस्थितीत, फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जनाचे परिमाणवाचक वैशिष्ट्य म्हणजे क्वांटम उत्पन्न — Y — प्रति घटना फोटॉन उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांची संख्या.

क्वांटम उत्पन्न हे पदार्थाच्या गुणधर्मांवर, त्याच्या पृष्ठभागाच्या स्थितीवर तसेच घटनेतील फोटॉनच्या ऊर्जेवर अवलंबून असते.

धातूंमध्ये, फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जनाची दीर्घ-तरंगलांबी मर्यादा त्यांच्या पृष्ठभागावरील इलेक्ट्रॉनच्या कार्य कार्याद्वारे निर्धारित केली जाते. बहुतेक स्वच्छ पृष्ठभागाच्या धातूंचे कार्य कार्य 3 eV च्या वर असते, तर अल्कली धातूंचे कार्य कार्य 2 ते 3 eV असते.

या कारणास्तव, अल्कली आणि अल्कधर्मी पृथ्वीच्या धातूंच्या पृष्ठभागावरून फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जन केवळ अतिनीलच नव्हे तर स्पेक्ट्रमच्या दृश्यमान प्रदेशात फोटॉनसह विकिरणित असताना देखील पाहिले जाऊ शकते. सामान्य धातूंमध्ये असताना, फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जन केवळ यूव्ही फ्रिक्वेन्सीपासूनच शक्य आहे.

हे धातूचे कार्य कार्य कमी करण्यासाठी वापरले जाते: अल्कली आणि क्षारीय पृथ्वी धातूंची एक फिल्म (मोनोएटॉमिक लेयर) एका सामान्य धातूवर जमा केली जाते आणि अशा प्रकारे फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जनाची लाल मर्यादा लांब लहरींच्या प्रदेशात हलविली जाते.

जवळच्या-UV आणि दृश्यमान क्षेत्रांमध्ये धातूंचे क्वांटम उत्पन्न Y वैशिष्ट्य 0.001 इलेक्ट्रॉन/फोटॉन पेक्षा कमी आहे कारण फोटोइलेक्ट्रॉन गळतीची खोली धातूच्या प्रकाश शोषण खोलीच्या तुलनेत लहान आहे.फोटोइलेक्ट्रॉनचा सिंहाचा वाटा धातूच्या बाहेर पडण्याच्या सीमेजवळ येण्यापूर्वीच त्यांची ऊर्जा नष्ट करतो, बाहेर पडण्याची कोणतीही संधी गमावतो.

जर फोटॉन ऊर्जा फोटो उत्सर्जन थ्रेशोल्डच्या जवळ असेल, तर बहुतेक इलेक्ट्रॉन व्हॅक्यूम पातळीच्या खाली असलेल्या उर्जेवर उत्तेजित होतील आणि ते प्रकाश उत्सर्जन करंटमध्ये योगदान देणार नाहीत. याव्यतिरिक्त, जवळच्या अतिनील आणि दृश्यमान प्रदेशांमध्ये परावर्तन गुणांक धातूंसाठी खूप जास्त आहे, त्यामुळे किरणोत्सर्गाचा फक्त एक अतिशय लहान अंश धातूद्वारे शोषला जाईल. दूरच्या अतिनील प्रदेशात या मर्यादा कमी होतात आणि Y 10 eV वरील फोटॉन उर्जेवर 0.01 इलेक्ट्रॉन/फोटॉनपर्यंत पोहोचते.

आकृती शुद्ध तांब्याच्या पृष्ठभागासाठी फोटो उत्सर्जन क्वांटम उत्पन्नाचे वर्णक्रमीय अवलंबित्व दर्शवते:

धातूच्या पृष्ठभागाच्या दूषिततेमुळे फोटोकरंट कमी होतो आणि लाल मर्यादा लांब तरंगलांबीच्या प्रदेशात बदलते; त्याच वेळी, या परिस्थितीत दूरच्या अतिनील प्रदेशासाठी, Y वाढू शकते.

फोटोइलेक्ट्रॉन रेडिएशन फोटोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये अनुप्रयोग शोधते जे विविध श्रेणींच्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक सिग्नलला विद्युत प्रवाह आणि व्होल्टेजमध्ये रूपांतरित करतात. उदाहरणार्थ, फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जनाच्या घटनेच्या आधारावर कार्य करणार्‍या उपकरणाचा वापर करून अदृश्य इन्फ्रारेड सिग्नलमधील प्रतिमा दृश्यमानामध्ये रूपांतरित केली जाऊ शकते. फोटोइलेक्ट्रॉन रेडिएशन देखील कार्य करते फोटोसेल्समध्ये, विविध इलेक्ट्रॉनिक-ऑप्टिकल कन्व्हर्टर्समध्ये, फोटोमल्टीप्लायर्समध्ये, फोटोरेसिस्टरमध्ये, फोटोडायोड्समध्ये, इलेक्ट्रॉन-बीम ट्यूबमध्ये, इ.

हे देखील पहा:सौर ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर करण्याची प्रक्रिया कशी कार्य करते