ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเกิดเมื่อแสงที่มีความถี่สูงพอทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากผิววัสดุ จุดสำคัญคือพลังงานสูงสุดของอิเล็กตรอนขึ้นกับความถี่ โฟตอน มากกว่าความเข้ม และเป็นหลักฐานสำคัญต่อแนวคิดพลังงานแสงแบบควอนตัม

ความถี่เกณฑ์

ฟังก์ชั่นการทำงาน φ คือพลังงานขั้นต่ำที่ต้องใช้ดึง อิเล็กตรอน ออกจากผิว ใน กระบวนการโฟตอนเดี่ยวในอุดมคติ ถ้า hν<φ จะไม่เกิด การปล่อยก๊าซเรือนกระจก แม้เพิ่ม ความเข้ม มากเพียงใด ความถี่เกณฑ์ คือ ν₀=φ/h และ ความยาวคลื่นเกณฑ์ λ₀=สาธารณสุข/φ

ผลนี้ขัดกับ ความคาดหวังแบบคลาสสิก แบบง่ายที่คิดว่าสามารถสะสมพลังงานจาก ความเข้มของคลื่น ต่ำได้นานพอจนหลุด

สมการไอน์สไตน์

K_สูงสุด=hν−φ และ การหยุดศักยภาพในการเชื่อฟัง eV_s=K_สูงสุด ดังนั้นกราฟ V_s กับ ความถี่ มี ความลาดชัน h/e และ สกัดกั้น เชื่อมกับ ฟังก์ชั่นการทำงาน

อิเล็กตรอน ในวัสดุไม่ได้เริ่มที่ พลังงาน เดียวกันและอาจชนก่อนออกจากผิว จึงได้ การกระจายพลังงาน ไม่ใช่ทุก อิเล็กตรอน มี K_สูงสุด

บทบาทของ ความเข้ม

เมื่อ ความถี่ สูงกว่า เกณฑ์ การเพิ่ม ความเข้ม เพิ่ม โฟตอนฟลักซ์ และโดยทั่วไปเพิ่มจำนวน โฟโตอิเล็กตรอน หรือ กระแสไฟ แต่ไม่เพิ่ม K_สูงสุด ใน กรณีในอุดมคติแบบเอกรงค์

การเพิ่ม ความถี่ ต่างหากที่เพิ่ม พลังงาน ต่อ โฟตอน และเพิ่ม พลังงานจลน์สูงสุด นี่คือความแตกต่างหลักระหว่าง ความเข้ม กับ ความถี่ ใน เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

การปล่อยอย่างรวดเร็ว

โฟโตอิเล็กตรอน ปรากฏในเวลาสั้นมากหลังรับแสง ไม่ต้องรอสะสมพลังงานนานตาม ภาพคลื่นต่อเนื่องแบบคลาสสิก แบบง่าย การดูดกลืน โฟตอน เป็น เหตุการณ์ควอนตัม

พื้นผิวจริงมี การปนเปื้อน, โครงสร้างวงดนตรี และ การกระเจิงของอิเล็กตรอน ที่เปลี่ยน ผลผลิต และ สเปกตรัมพลังงานที่วัดได้

การประยุกต์และภาพสมัยใหม่

ตัวคูณแสง, โฟโตแคโทด และ โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี ใช้การปล่อยหรือวัด อิเล็กตรอน จาก ปฏิสัมพันธ์ของโฟตอน ส่วน โฟโตไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ มักอาศัย การกระตุ้น ข้าม ช่องว่างของวงดนตรี ภายในวัสดุ ไม่จำเป็นต้องปล่อย อิเล็กตรอน ออกสู่อากาศ

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค แสดงลักษณะพลังงานเป็นควอนตัมของแสง ขณะที่ การรบกวน และ การเลี้ยวเบน แสดงพฤติกรรมแบบคลื่น ทั้งสองรวมอยู่ใน คำอธิบายควอนตัม เดียว

กราฟ หยุดศักยภาพ

ถ้าวัด V_s ที่หลาย ความถี่ เหนือ เกณฑ์ จะได้เส้น eV_s=hν−φ ดังนั้น ความลาดชัน ของ V_s–ν คือ h/e การทดลองจึงใช้หาค่า ค่าคงตัวของพลังค์ ได้จากข้อมูลไฟฟ้า

จุดตัดแกน ความถี่ ให้ ν₀=φ/h ส่วนการเปลี่ยน ความเข้ม ที่ ความถี่ เดิมควรเปลี่ยน กระแสไฟ มากกว่าค่า หยุดศักยภาพ ใน โมเดลในอุดมคติ

วัสดุจริงและ โครงสร้างวงดนตรี

ในโลหะ ฟังก์ชั่นการทำงาน ขึ้นกับชนิดผิว การวางแนวผลึกศาสตร์ และ การปนเปื้อน ส่วน เซมิคอนดักเตอร์ มี ช่องว่างของวงดนตรี, ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน และ สถานะพื้นผิว เพิ่มเข้ามา ทำให้ พฤติกรรมเกณฑ์ ซับซ้อนกว่าโลหะ ในอุดมคติ

สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสง ใช้พลังงานและมุมของ อิเล็กตรอน ที่ปล่อยเพื่อย้อนข้อมูล โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ของวัสดุ จึงขยายหลักพื้นฐานไปสู่เครื่องมือวิเคราะห์ระดับพลังงาน

แบบฝึกหัด

ฟังก์ชั่นการทำงาน

φ=2.0 eV, โฟตอน=3.5 eV

เฉลย: K_สูงสุด=1.5 eV

หยุดศักยภาพ

K_สูงสุด=1.5 eV

เฉลย: V_s=1.5 V

ต่ำกว่า เกณฑ์

hν=1.8 eV, φ=2.0 eV

เฉลย: ไม่มี การปล่อยโฟตอนเดี่ยวในอุดมคติ แม้เพิ่ม ความเข้ม