Fotoefekt

Valguse ja aine vastastikmõju
Väikese energiaga nähtused:
Fotoefekt
Keskmise energiaga nähtused:
Thomsoni hajumine
Comptoni hajumine
Suure energiaga nähtused:
Elementaarosakeste paaride teke
v r

Fotoelektriline efekt ehk fotoefekt avaldub valguse (või ka muu elektromagnetkiirguse) ja aine vastastikmõjus, mille tulemusena footonite (valguskvantide) energia kandub aine elektronidele. Fotoefekt hõlmab footonite ja aine vastastikmõju kolme lähedast, kuid füüsikaliselt erisugust protsessi:

• metallide korral võib footoni neeldumisega kaasneda elektroni väljumine aine pinnalt – see on välisfotoefekt;
• pooljuhtmaterjali korral suurendab valgus elektronide energiataset aine sees – see on sisefotoefekt;
• gaasi aatomitele mõjub valguskiirgus ioniseerivalt – valguskvandi mõjul eraldub gaasi aatomist elektron.

Need efektid saavad toimuda, kui footoni energia on küllalt suur ehk kiirguse võnkesagedus piisavalt kõrge.

1887. aastal märkas saksa füüsik Heinrich Hertz, et kui valgustada metallplaati ultraviolettkiirgusega, võib sealt sädemeid lüüa. Teati, et metallid on head elektrijuhid, kuna elektronid on nende aatomiga nõrgemalt seotud ja seega sissetuleva energia järsu suurendamisega saab neid sealt välja lüüa. Mõistatuslik oli aga see, et erinevate metallide jaoks oli emissiooniks vajalik miinimumsagedus erinev. Valguse intensiivsuse tõstmise tagajärjel vabanes rohkem elektrone, kuid nende energia jäi samaks, samas sageduse suurendamisel said elektronid küll suurema energia, kuid nende arv ei muutunud. Seda nähtust hakati kutsuma fotoefektiks.^[1]

1900. aastal lahendas Max Planck ülesande musta keha kiirguse kohta, mis näitas, et iga aatom saab neelata või kiirata ainult diskreetse energiaga kvandi ${\displaystyle E=h\,f}$. Planck arvas, et energiakvandi kontseptsioon on lihtsalt matemaatiline trikk, et teooria ühilduks katsega.^[1]

1905. aasta märtsis avaldas Albert Einstein artikli, mis andis fotoefektile seletuse. Ta ütles, et valgus on osakeste voog, mille energiad on vastavalt Plancki seadusele seotud nende sagedustega. Kui see kiir suunata metallile, siis footonid põrkuvad aatomitega ja kui footoni sagedus on piisav, et lüüa pinnalt välja elektron, tekib fotoefekt. Valgusosake kannab energiat, mis on võrdeline vastava laine sagedusega. 1921. aastal sai Einstein oma töö eest füüsikas Nobeli auhinna.^[1]

Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse sagedus ületama sellele pinnale omase lävisageduse ${\displaystyle f_{0}}$ või lainepikkus olema väiksem piirlainepikkusest ${\displaystyle \lambda =c/f_{0}}$. Olenemata valguse intensiivsusest fotoefekti ei teki, kui see tingimus ei ole täidetud.^[2]

Aine pinnalt kiirguse poolt välja löödud elektrone nimetatakse fotoelektronideks^[3][4]. Selle nähtuse avastas Heinrich Hertz 1887. aastal^[4][5]. Hertz jälgis ja näitas, et elektriline läbilöök elektroodide vahel tekib kergemini, kui valgustada elektroode ultraviolettkiirgusega.

Tänu fotoefekti uurimisele jõuti lähemale valguse ja elektronide kvantolemuse mõistmisele ja see aitas kaasa valguse dualismi sõnastamisele.^[3]

Välisfotoefekti nimetatakse ka fotoelektroniemissiooniks ehk fotoemissiooniks.

Vastavalt laine-osake dualismile käitub valgus samaaegselt nagu laine ja osake. Valguskimbu footonite energia on proportsionaalne valguse sagedusega. Fotoefekti käigus elektron neelab footoni energia ja omandab materjali seoseenergiast suurema energia, mille tulemusena lüüakse elektron ainest välja. Kui footoni energia on liiga väike, ei õnnestu elektronil ainest põgeneda. Kui suurendada kiirguse intensiivsust, siis suureneb footonite arv valguskimbus ja kuigi vabanenud elektronide arv kasvab, jääb nende energia samaks. Vabanenud elektronide energia sõltub üksikute footonite energiast või sagedusest, ei sõltu aga pealelangeva valguse intensiivsusest.

Kiirituse korral saavad elektronid neelata footonite energia, aga nad enamasti järgivad põhimõtet "kõik või mitte midagi": kas neelatakse kogu footoni energia ja kasutatakse see elektroni vabastamiseks aatomist või see eraldub uuesti. Kui footoni energia neelatakse, siis osa energiast vabastab elektroni aatomist ja ülejäänu jääb elektroni kineetiliseks energiaks.^[6][7][8]

Vabanenud elektroni maksimaalne kineetiline energia ${\displaystyle K_{\mathrm {max} }}$ avaldub kujul

${\displaystyle K_{\mathrm {max} }=h\,f-\varphi ,}$

kus ${\displaystyle h}$ on Plancki konstant, ${\displaystyle f}$ footoni sagedus ning ${\displaystyle \varphi }$ väljumistöö (tähistatakse ka ${\displaystyle W}$ ja ${\displaystyle \phi }$^[9]), mis on minimaalne energia, mille elektron peab omandama, et metalli pinnalt väljuda. See avaldub kujul

${\displaystyle \varphi }$ = ${\displaystyle h\,f_{0},}$

kus ${\displaystyle f_{0}}$ on metalli lävisagedus. Maksimaalne kineetiline energia avaldub seega kujul

${\displaystyle K_{\mathrm {max} }=h\left(f-f_{0}\right).}$

Kineetiline energia on alati positiivne, järelikult fotoefekti tekkimiseks peab olema täidetud tingimus ${\displaystyle f>f_{0}}$.

Fotoefekti loomust illustreerib seos voolu ja rakendatud pinge vahel. Olgu meil katseseade, kus klaasballoonis, millest on õhk välja pumbatud, paiknevad kaks elektroodi. Elektrood, millele langeb valgus, ühendatakse patarei negatiivse klemmiga. Elektroodidele rakendatud pinget saab muuta potentsiomeetriga. Valgustatud elektrood emiteerib elektrone, mis tekitavad elektriväljas elektrivoolu. Jättes valgusvoolu konstantseks, kuid muutes elektroodidele rakendatud pinget, suureneb voolutugevus. Mingi kindla väärtuse juures saavutab see maksimaalse väärtuse, mida nimetatakse küllastusvooluks. Selle tugevuse määrab elektroodilt ühes sekundis lahkunud elektronide arv. Kui pinge on väike, siis ei jõua kõik elektronid teisele elektroodile. Fotovoolu tugevus erineb nullist aga ka siis, kui pinge on null. Seega osa fotoefekti toimel emiteerunud elektrone jõuab teisele elektroodile ka siis, kui elektroodide vahel pinge puudub. Kui muuta vooluallika polaarsust, siis voolutugevus väheneb ja muutub mingi pinge ${\displaystyle U_{s}}$ juures nulliks. Selle tulemusena pöörduvad kõik elektronid tagasi elektroodile, kust nad emiteerusid.^[10]

Kui ${\displaystyle m}$ on emiteerunud fotoelektroni mass ja ${\displaystyle v_{m}ax}$ tema maksimaalne kiirus, saame kineetilise energia kirja panna järgmiselt:

${\displaystyle K_{\mathrm {max} }={\frac {1}{2}}mv_{\mathrm {max} }^{2}}$.

Tõkkepinge ${\displaystyle U_{s}}$ väärtus sõltub väljatõrjutud elektronide maksimaalsest kineetilisest energiast järgmiselt:

${\displaystyle {1 \over 2}mv_{\mathrm {max} }^{2}=eV_{0},}$

kus ${\displaystyle e}$ on elektroni laeng.^[10]

Tõkkepinge on lineaarses sõltuvuses valguse sagedusega, aga sõltub ka materjalist. Emissiooni tekkimiseks, tuleb iga konkreetse materjali jaoks ületada sellele vastav lävisagedus ${\displaystyle f_{0}}$, mis omakorda ei sõltu laine sagedusest, vaid ainult ainelistest omadustest. Näiteks germaaniumdioodi tõkkepinge muutub vahemikus 0,2–0,3 V ja silikoondioodil 0,5–0,7 V.^[11]

Fotoefekti tahkistest käsitletakse tihti kolmeastmelisena:

1. laengukandjate loomine tahkises: elektron ergastatakse algolekust lõppolekusse, mis energeetiliselt asub juhtivustsoonis;
2. ergastatud elektroni liikumine pinna suunas;
3. pinnale jõudnud elektroni väljumine aine pinnast.^[12]

Fotoelement on vaakumtoru, milles on kumer katood, mida kutsutakse emitteriks ja mis on tehtud metallist, milles elektronide väljumistöö on väike. Kui emitterile langeb valgus, mille sagedus on suurem vastavast lävisagedusest, vabanevad elektronid. Anoodiks on toru keskel olev peenike traat, kollektor, mis on piisavalt peenike, et ei blokeeri valgust. Kollektorile antakse positiivne potentsiaal ja tema ülesanne on püüda fotoelektrone. Valguse langemisel fotoelemendi katoodile tekib vooluahelas elektrivool, mis rakendab tööle relee või vajadusel releed. Fotoelemendi ja relee kombinatsioonil põhinevad paljud "nägevad" automaadid, näiteks metroo automaat, mis avab läbipääsu alles siis, kui sellesse on sisestatud piisavalt münte. Taolised automaadid on olulised turvalisuse tagamiseks. Näiteks saab fotoelemendi abil võimas press peaaegu silmapilkselt peatuda, kui inimese käsi on sattunud ohtlikku tsooni.^[13][10]

Kuna emiteerunud fotoelektronide energia on täpses seoses footoni energia ja materjali seoseenergiaga, saab proovi väljumistöö funktsiooni leida, kiiritades seda proovi monokromaatilise röntgenikiirguse või ultraviolettkiirgusega ja mõõtes emiteerunud elektronide kineetilist energiat.^[14]

Fotoelektronspektroskoopia toimub vaakumis, et ei toimuks elektronide põrkeid gaasikeskkonna molekulidega.^[15] Kontsentriline poolsfääriline analüsaator kasutab elektrivälja, et muuta elektronide suunda sõltuvalt nende kineetilisest energiast. Seoseenergia on erinev iga elemendi jaoks. Seega analüsaatori väljund annab graafiku, mille kohalikud maksimumid näitavad ära pinnal olevate ainete koostise.

 Pikemalt artiklis Sisefotoefekt

Sisefotoefekt avaldub pooljuhtides kahel kujul:

• fotojuhtivusena, kui kiirguse mõjul moodustuvad pooljuhis elektron-auk-paarid ja selle tulemusena suureneb aine elektrijuhtivus;
• fotogalvaanilise efektina, kui fotojuhtivusega kaasneb pn-siirdes elektromotoorjõu tekkimine, nii et kiirgusenergia muundub elektrienergiaks.

• Päikeseelement