التأثير الكهروضوئي
التأثير الكهروضوئي هو انبعاث الإلكترونات أو غيرها من الناقلات الحرة عندما يضيء الضوء على المادة. يمكن أن يطلق على الالكترونات المنبعثة بهذه الطريقة اسم إلكترونات الصور. تُدرس هذه الظاهرة عادة في الفيزياء الإلكترونية ، وكذلك في مجالات الكيمياء ، مثل كيمياء الكم أو الكيمياء الكهربائية.
وفقا للنظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية ، يمكن أن يعزى هذا التأثير إلى نقل الطاقة من الضوء إلى الإلكترون. من هذا المنظور ، سيؤدي تغير في شدة الضوء إلى تغيرات في الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة من المعدن. علاوة على ذلك ، ووفقًا لهذه النظرية ، يتوقع من الضوء الخافت أن يظهر فارقًا زمنيًا بين اللمعان الأولي لضوءه والانبعاث اللاحق للإلكترون. ومع ذلك ، فإن النتائج التجريبية لا ترتبط بأي من التنبؤين اللذين تم إجراؤهما بواسطة النظرية الكلاسيكية.
وبدلاً من ذلك ، لا يتم إزاحة الإلكترونات إلا عن طريق تأثر الفوتونات عندما تصل تلك الفوتونات أو تتجاوز عتبة التردد (الطاقة). وتحت هذه العتبة ، لا تنبعث أي إلكترونات من المادة بغض النظر عن شدة الضوء أو طول وقت التعرض للضوء. (نادرًا ما ينجو إلكترون من خلال امتصاص كمين أو أكثر. ومع ذلك ، فإن هذا نادر للغاية لأنه مع الوقت الذي يمتص الكميات الكافية للهروب ، من المحتمل أن يكون الإلكترون قد أطلق بقية الكميات). هذا الضوء يمكن أن يخرج الإلكترونات حتى لو كانت شدته منخفضة ، اقترح ألبرت أينشتاين أن حزمة الضوء ليست موجة تنتشر عبر الفضاء ، وإنما مجموعة من الحزم الموجية المنفصلة (الفوتونات) ، كل منها مع طاقة hν. هذا يلقي الضوء على اكتشاف ماكس بلانك السابق لعلاقة بلانك (E = hν) التي تربط الطاقة (E) والتردد (ν) على أنها ناتجة عن تكمية الطاقة. يعرف العامل h باسم ثابت بلانك.
في عام 1887 ، اكتشف هاينريش هيرتز أن الأقطاب الكهربائية المضاءة بالأشعة فوق البنفسجية تخلق شرارات كهربائية بسهولة أكبر. في عام 1900 ، أثناء دراسة إشعاع الجسم الأسود ، اقترح الفيزيائي الألماني ماكس بلانك أن الطاقة التي تحملها الموجات الكهرومغناطيسية لا يمكن إطلاقها إلا في “حزم” الطاقة. في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين ورقة تقدم الفرضية القائلة بأن الطاقة الضوئية تُحمل في رزم كمية كبيرة منفصلة لشرح البيانات التجريبية من التأثير الكهروضوئي. ساهم هذا النموذج في تطوير ميكانيكا الكم. في عام 1914 ، دعمت تجربة ميليكان نموذج آينشتاين للتأثير الكهروضوئي. حصل آينشتاين على جائزة نوبل في عام 1921 بسبب “اكتشافه لقانون التأثير الكهروضوئي” ، وحصل روبرت ميليكان على جائزة نوبل في عام 1923 عن “عمله على الشحنة الأولية للكهرباء والتأثير الكهروضوئي”.
يتطلب التأثير الكهروضوئي فوتونات ذات طاقات تقارب الصفر (في حالة تقارب الإلكترون السلبي) إلى أكثر من 1 MeV للإلكترونات الأساسية في العناصر ذات العدد الذري العالي. عادةً ما يتطلب انبعاث الإلكترونات من الفلزات العادية قليل من فولت الإلكترون ، وهو ما يقابل طول الموجة القصيرة أو الضوء فوق البنفسجي. أدت دراسة التأثير الكهروضوئي إلى خطوات مهمة في فهم الطبيعة الكمية للضوء والإلكترونات وأثرت في تشكيل مفهوم ازدواجية الموجة والجسيم. ومن الظواهر الأخرى التي يؤثر فيها الضوء على حركة الشحنات الكهربائية ، التأثير الضوئي الضوئي (المعروف أيضًا باسم الموصلية الضوئية أو حساسية الضوء) ، والتأثير الضوئي الضوئي ، والتأثير الكهروكيميائي الضوئي.
يمكن أن يحدث التقاط الصور من أي مادة ، ولكن يمكن ملاحظتها بسهولة من المعادن أو الموصلات الأخرى لأن العملية تنتج خللاً في الشحنة ، وإذا لم يتم تحييد خلل الشحنة هذا من خلال التدفق الحالي (بتمكين الموصلية) ، فإن الحاجز المحتمل للانبعاثات يزيد حتى يتوقف الانبعاثات الحالية. ومن المعتاد أيضًا أن يكون السطح الذي ينبعث منه في فراغ ، لأن الغازات تعوق تدفق الإلكترونات الضوئية وتجعل من الصعب مراقبتها. بالإضافة إلى ذلك ، عادة ما يزداد حاجز الطاقة إلى التقاط الصور عن طريق طبقات أكسيد رقيقة على أسطح معدنية إذا تعرض المعدن للأكسجين ، لذلك تستخدم معظم التجارب العملية والأجهزة المستندة إلى التأثير الكهروضوئي أسطح معدنية نظيفة في الفراغ.
عندما ينبعث الإلكتروضوئي في صلبة وليس في فراغ ، غالباً ما يستخدم مصطلح التصوير الضوئي الداخلي ، وينبعث إلى فراغ مميز كإفراغ ضوئي خارجي.
آلية الانبعاثات
تتميز فوتونات الحزمة الضوئية بالطاقة المميزة المتناسبة مع تردد الضوء. في عملية التقاط الصور ، إذا كان الإلكترون داخل بعض المواد يمتص طاقة فوتون واحد ويكتسب طاقة أكثر من وظيفة العمل (طاقة ارتباط الإلكترون) من المادة ، فإنه يتم إخراجها. إذا كانت طاقة الفوتون منخفضة للغاية ، فإن الإلكترون غير قادر على الهروب من المادة. وبما أن الزيادة في شدة الضوء المنخفض التردد لن تؤدي إلا إلى زيادة عدد الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة المرسلة خلال فترة زمنية معينة ، فإن هذا التغير في الشدة لن يخلق أي فوتون مع طاقة كافية لإزاحة الإلكترون. وبالتالي ، فإن طاقة الإلكترونات المنبعثة لا تعتمد على شدة الضوء الوارد ، ولكن فقط على الطاقة (تردد مكافئ) للفوتونات الفردية.إنه تفاعل بين الفوتون الحادث والإلكترونات الخارجية.
تستطيع الإلكترونات امتصاص الطاقة من الفوتونات عند تشعيعها ، ولكنها تتبع عادة مبدأ “الكل أو لا شيء”. يجب امتصاص كل الطاقة من فوتون واحد واستخدامها لتحرير إلكترون واحد من الارتباط الذري ، وإلا يتم إعادة إنبعاث الطاقة. إذا تم امتصاص طاقة الفوتون ، فإن بعض الطاقة تحرر الإلكترون من الذرة ، والباقي يساهم في الطاقة الحركية للإلكترون كجسيم حر.
الملاحظات التجريبية للانبعاث الكهروضوئي
يجب أن توضح نظرية التأثير الكهروضوئي الملاحظات التجريبية لانبعاث الإلكترونات من سطح معدني مضاء.
بالنسبة لسطح معدني معين ، يوجد حد أدنى معين من الإشعاع للحوادث التي لا تنبعث منها أي فوتونات ضوئية. هذا التردد يسمى تردد العتبة.زيادة وتيرة شعاع الحادث ، مع الحفاظ على عدد الفوتونات المثبتة (وهذا من شأنه أن يؤدي إلى زيادة متناسبة في الطاقة) يزيد من الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات الضوئية المنبعثة. وبالتالي زيادة الجهد توقف. يتغير أيضًا عدد الإلكترونات بسبب احتمال أن ينتج كل فوتون نتيجة للإلكترون المنبعث ، وهي دالة طاقة الفوتون. إذا زادت كثافة إشعاع الحادث من تردد معين ، لا يوجد أي تأثير على الطاقة الحركية لكل إلكترون ضوئي.
فوق تردد العتبة ، تعتمد الطاقة الحركية القصوى للإلكتروإلكترون المنبعث على تواتر الضوء الساقط ، ولكنها مستقلة عن شدة الضوء الساقط طالما أن هذه الأخيرة ليست عالية جداً.
بالنسبة لمعدن معين وتكرار الإشعاع الحادث ، فإن المعدل الذي يتم عنده إخراج الكوائيات الضوئية يتناسب طرديا مع شدة الضوء الساقط. تزيد زيادة شدة الحزمة (الحفاظ على التردد الثابت) من حجم التيار الكهروضوئي ، على الرغم من أن جهد الإيقاف يبقى كما هو.
الفارق الزمني بين حدوث الإشعاع وانبعاث الإلكترون الضوئي صغير جدا ، أقل من 10-9 ثانية.
يبلغ اتجاه توزيع الإلكترونات المنبعثة ذروتها في اتجاه الاستقطاب (اتجاه المجال الكهربائي) للضوء الساقط ، إذا كان مستقطباً خطيًا.
وصف رياضي
في عام 1905 ، اقترح آينشتاين تفسيراً للتأثير الكهروضوئي باستخدام مفهوم طرحه ماكس بلانك لأول مرة أن الموجات الضوئية تتكون من حزم صغيرة أو حزم طاقة تعرف بالفوتونات أو الكميات.
T الحد الأقصى للطاقة الحركية
أين
أين
الطاقة الحركية إيجابية ، لذا يجب أن يكون لدينا
وقف الإمكانات
العلاقة بين التيار والجهد المطبق يوضح طبيعة التأثير الكهروضوئي. للمناقشة ، يضيء مصدر الضوء لوحة P ، وقطب كهربائي آخر Q يجمع أي إلكترونات المنبعثة. نحن نختلف من إمكانات بين P و Q وقياس التيار المتدفق في الدائرة الخارجية بين اللوحتين.
إذا تم إصلاح تردد وشدة الإشعاع الحادث ، فإن التيار الكهروضوئي يزداد تدريجيًا مع زيادة في الإمكانات الإيجابية على قطب المجمع حتى يتم جمع كل الإلكترونات الضوئية المنبعثة. يبلغ التيار الكهروضوئي قيمة تشبع ولا يزيد عن أي زيادة في الإمكانات الإيجابية. يزداد تيار التشبع بزيادة شدة الضوء. كما يزداد مع ترددات أكبر بسبب زيادة احتمال انبعاث الإلكترون عندما تحدث الاصطدامات باستخدام فوتونات طاقة أعلى.
إذا قمنا بتطبيق إمكانات سلبية على لوحة التجميع Q فيما يتعلق باللوحة P وزيادتها تدريجياً ، فإن التيار الكهروضوئي يتناقص ، ليصبح الصفر عند مستوى سلبي معين. إن الإمكانات السلبية في المجمع الذي يتحول فيه التيار الكهروضوئي إلى الصفر تدعى إمكانات الإيقاف أو قطع الإمكانات
أنا. بالنسبة لتردد معين من الإشعاع الحادث ، فإن إمكانات التوقف مستقلة عن شدتها.
ثانيا. بالنسبة لتردد معين من الإشعاع الحادث ، يتم تحديد قدرة التوقف عن طريق الحد الأقصى للطاقة الحركية
وإذ تشير
نرى أن جهد التوقف يختلف اختلافًا خطيًا مع تواتر الضوء ، ولكنه يعتمد على نوع المادة. بالنسبة لأي مادة معينة ، هناك تردد عتيد يجب تجاوزه ، بغض النظر عن شدة الضوء ، لمراقبة أي انبعاث إلكترون.
نموذج من ثلاث خطوات
في نظام الأشعة السينية ، غالباً ما يتحلل التأثير الكهروضوئي في المادة البلّورية إلى ثلاث خطوات:
التأثير الكهروضوئي الداخلي (انظر الثنائيات الضوئية أدناه [بحاجة للتوضيح]). يمكن أن يؤدي الثقب الذي خلفه إلى ظهور تأثير Auger ، والذي يكون مرئيًا حتى عندما لا يترك الإلكترون المادة. في المواد الصلبة الجزيئية تتأثر الفونونات في هذه الخطوة وقد تكون مرئية كخطوط في طاقة الإلكترون النهائية. يجب أن يكون التأثير الضوئي الداخلي ثنائي القطب مسموحًا به. [توضيح المطلوب] تترجم قواعد الانتقال للذرات عبر نموذج التجليد الضيق إلى البلورة. [التوضيح مطلوب] إنها متشابهة في الهندسة إلى تذبذبات البلازما في أنها يجب أن تكون مستعرضة.
النقل البالستي [الإيضاح المطلوب] لنصف الإلكترونات إلى السطح. بعض الإلكترونات مبعثرة.
الهروب الالكترونات من المواد على السطح.
في نموذج الثلاث خطوات ، يمكن أن يتخذ الإلكترون مسارات متعددة عبر هذه الخطوات الثلاث. يمكن أن تتداخل كافة المسارات بمعنى الصيغة المتكاملة للمسار. بالنسبة للحالات والجزيئات السطحية ، لا يزال نموذج الثلاث خطوات منطقيًا ، حتى إن معظم الذرات لديها إلكترونات متعددة يمكن أن تشتت الإلكترون الواحد.
التاريخ
عندما يتعرض السطح للإشعاع الكهرومغناطيسي فوق تردد عتبة معينة (عادة ما يكون الضوء المرئي للفلزات القلوية ، بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية للمعادن الأخرى ، والأشعة فوق البنفسجية المتطرفة لغير المعادن) ، يتم امتصاص الإشعاع وتنبعث الإلكترونات. الضوء ، وخاصة الضوء فوق البنفسجي ، تصريف الأجسام المكهربة السلبية مع إنتاج أشعة من نفس طبيعة أشعة الكاثود. في ظل ظروف معينة يمكن أن يؤين الغازات مباشرة. تم اكتشاف أول هذه الظواهر من قبل هيرتز وهالواكس في عام 1887. وقد تم الإعلان عن أول هذه الظاهرة لأول مرة من قبل فيليب لينارد في عام 1900.
يمكن الحصول على ضوء الأشعة فوق البنفسجية لإنتاج هذه التأثيرات من مصباح قوس ، أو عن طريق حرق المغنيسيوم ، أو عن طريق التطعيم بملف التعريفي بين أطراف الزنك أو الكادميوم ، وهو ضوء غني جدًا بالأشعة فوق البنفسجية. إن أشعة الشمس ليست غنية بالأشعة فوق البنفسجية ، حيث أن الغلاف الجوي يمتصها ، ولا ينتج تأثيرًا كبيرًا مثل ضوء القوس. العديد من المواد إلى جانب المعادن تفريغ الكهرباء السلبية تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية: ستجد قوائم بهذه المواد في الأوراق من قبل GC Schmidt و O. Knoblauch.
القرن ال 19
في عام 1839 ، اكتشف ألكسندر إدموند بيكريل التأثير الكهروضوئي أثناء دراسة تأثير الضوء على الخلايا الإلكتروليتية. على الرغم من أنه لا يساوي التأثير الكهروضوئي ، إلا أن عمله في الخلايا الكهروضوئية كان له دور أساسي في إظهار علاقة قوية بين الخواص الإلكترونية والخفيفة للمواد. في عام 1873 ، اكتشف ويلوغبي سميث photoconductivity في السيلينيوم أثناء اختبار المعدن لخصائصه المقاومة العالية بالتزامن مع عمله الذي يشمل كبلات التلغراف الغواصة.
قام يوهان إلستر (1854–1920) وهانس غيتل (1855-1923) ، وهم طلاب في هايدلبرغ ، بتطوير أول الخلايا الكهروضوئية العملية التي يمكن استخدامها لقياس شدة الضوء.: 458 حققت إلستر وجيتل بنجاح كبير في التأثيرات الناتجة بالضوء على الأجسام المكهربة.
في عام 1887 ، لاحظ Heinrich Hertz التأثير الكهروضوئي وإنتاج موجات كهرومغناطيسية واستقبالها. نشر هذه الملاحظات في مجلة Annalen der Physik. وتألف مستقبِله من ملف مع فجوة شرارة ، حيث يمكن رؤية شرارة عند اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية.وضع الجهاز في مربع مظلم لرؤية الشرارة بشكل أفضل. ومع ذلك ، لاحظ أنه تم تقليل الحد الأقصى لطول الشرر عندما يكون في الصندوق.وضعت لوحة زجاجية بين مصدر الموجات الكهرومغناطيسية وتم امتصاص جهاز الأشعة فوق البنفسجية الذي ساعد الإلكترونات في القفز عبر الفجوة. عند إزالتها ، سيزيد طول الشرارة. ولم يلاحظ أي انخفاض في طول الشرارة عندما استبدل الزجاج بالكوارتز ، لأن الكوارتز لا يمتص الأشعة فوق البنفسجية. أنهى هيرتز أشهر من التحقيق وأبلغ النتائج التي تم الحصول عليها. لم يتابع التحقيق في هذا التأثير.
اكتشف هيرتز في عام 1887 أن وقوع الضوء فوق البنفسجي على فجوة شرارة قد سهل مرور الشرارة ، وأدى على الفور إلى سلسلة من التحقيقات التي أجراها Hallwachs ، و Hoor ، و Righi ، و Stoletow حول تأثير الضوء ، وخاصةً الضوء الأشعة فوق البنفسجية ، على الأجسام المشحونة. وقد ثبت من خلال هذه التحريات أن سطح الزنك الذي تم تنظيفه حديثًا ، إذا كان مشحونا بالكهرباء السلبية ، يفقد هذه الشحنة بسرعة ، مهما كان صغيرا ، عندما يكون الضوء فوق البنفسجي على السطح. في حين أن السطح غير مشحون من قبل ، فإنه يكتسب شحنة موجبة عند تعريضه للضوء ، والكهربة السلبية تخرج إلى الغاز الذي يحيط به المعدن ؛ يمكن زيادة هذا الكهربة الإيجابية عن طريق توجيه airblast قوي ضد السطح. أما إذا كان سطح الزنك مُجهّزًا كهربائياً إيجابياً ، فإنه لا يعاني من فقدان الشحنة عند تعريضه للضوء: فقد تم التشكيك في هذه النتيجة ، لكن الفحص الدقيق لهذه الظاهرة من جانب إلستر وغيتيل أظهر أن الخسارة الملاحظة في ظروف معينة ترجع إلى التفريغ بالضوء ينعكس من سطح الزنك من كهربة سالبة على الموصلات المجاورة التي يسببها الشحنة الموجبة ، الكهرباء السلبية تحت تأثير المجال الكهربائي تتحرك صعودا إلى السطح المكهربة إيجابيا.
القرن ال 20
إن اكتشاف تأين الغازات بواسطة ضوء الأشعة فوق البنفسجية كان من صنع فيليب لينارد في عام 1900. وبما أن التأثير قد تم إنتاجه عبر عدة سنتيمترات من الهواء وجعل أيونات سالبة إيجابية وصغيرة جداً ، كان من الطبيعي تفسير هذه الظاهرة ، JJ طومسون ، باعتباره تأثير هيرتز على الجسيمات الصلبة أو السائلة الموجودة في الغاز.
في عام 1902 ، لاحظ لينارد أن طاقة الإلكترونات المنبعثة الفردية تزداد مع تردد (وهو مرتبط باللون) للضوء.
بدا هذا على خلاف مع نظرية موجة ماكسويل للضوء ، التي تنبأت بأن طاقة الإلكترون ستكون متناسبة مع شدة الإشعاع.
لاحظ لينارد التباين في طاقة الإلكترون مع تردد ضوئي باستخدام مصباح قوس كهربائي قوي مما مكنه من التحقيق في التغييرات الكبيرة في الشدة ، والتي كانت لديها القدرة الكافية لتمكينه من التحقيق في الاختلاف في الإمكانات مع تردد الضوء. وقامت تجربته بقياس الإمكانيات بشكل مباشر ، وليس طاقة الحركية الإلكترونية: فقد وجد طاقة الإلكترون بربطها بأقصى جهد إيقاف (جهد) في صورة ضوئية. ووجد أن الطاقة القصوى الحركية للإلكترون المحسوبة تتحدد بتواتر الضوء. على سبيل المثال ، تؤدي الزيادة في التردد إلى زيادة في الطاقة الحركية القصوى المحسوبة للإلكترون عند التحرير – فالأشعة فوق البنفسجية تتطلب إمكانات توقف أعلى للتوقف عن التيار في صورة ضوئية أكثر من الضوء الأزرق. ومع ذلك ، كانت نتائج لينارد نوعية أكثر من كونها كمية بسبب صعوبة في إجراء التجارب: كانت هناك حاجة للتجارب على المعدن المقطوع طازجًا حتى لوحظ المعدن النقي ، ولكنه تأكسد في غضون دقائق حتى في الفراغات الجزئية مستخدم. تم تحديد التيار المنبعث من السطح بواسطة شدة الضوء ، أو السطوع: مضاعفة شدة الضوء تضاعف عدد الإلكترونات المنبعثة من السطح.
وقد أظهرت أبحاث Langevin و Eugene Bloch أن الجزء الأكبر من تأثير Lenard هو بالتأكيد بسبب “تأثير هيرتز”. على الرغم من ذلك ، فإن تأثير لينارد على الغاز [التوضيح المطلوب] موجود بالفعل. قام JJ Thomson بإعادة التوضيح ، ثم قام Frederic Palmer، Jr. ، بشكل أكثر حسمًا ، بدراسته وأظهر خصائص مختلفة تمامًا عن تلك التي نسبها إليه Lenard في البداية.
في عام 1905 ، حل ألبرت أينشتاين هذا التناقض الظاهري من خلال وصفه للضوء على أنه يتكون من كمّات منفصلة ، تسمى الآن الفوتونات ، بدلاً من الموجات المستمرة. واستناداً إلى نظرية ماكس بلانك عن إشعاع الجسم الأسود ، فكر أينشتاين أن الطاقة في كل كمية من الضوء تساوي التردد المضروب في ثابت ، والذي يُطلق عليه فيما بعد ثابت بلانك. يمتلك الفوتون فوق تردد عتبة الطاقة المطلوبة لإخراج إلكترون واحد ، مما يخلق التأثير المرصود. أدى هذا الاكتشاف إلى الثورة الكوانتية في الفيزياء وحصل آينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1921. من خلال ازدواجية الجسيمات الموجية ، يمكن تحليل التأثير بحتة من حيث الأمواج ، ولكن ليس بنفس السهولة.
وصف ألبرت أينشتاين الرياضي لكيفية تأثير كهروضوئي بسبب امتصاص كم من الضوء كان في واحدة من أوراقه 1905 ، واسمه “على وجهة نظر الكشفية فيما يتعلق بالإنتاج والتحول للضوء”. اقترحت هذه الورقة وصفا بسيطا من “الكميات الخفيفة” ، أو الفوتونات ، وأظهرت كيف شرحت هذه الظواهر مثل التأثير الكهروضوئي. شرح شرحه البسيط من حيث امتصاص الكونتا المتقطعة من الضوء سمات الظاهرة والتردد المميز.
ساعد التأثير الكهروضوئي على دفع المفهوم الذي ظهر آنذاك لازدواجية الموجة والجسيم في طبيعة الضوء. يمتلك الضوء في نفس الوقت خصائص كل من الموجات والجسيمات ، حيث يتجلى كل منهما وفقًا للظروف. كان من المستحيل فهم التأثير من حيث وصف الموجة الكلاسيكية للضوء ، لأن طاقة الإلكترونات المنبعثة لم تكن تعتمد على شدة إشعاع الحادث. تنبأت النظرية الكلاسيكية أن الإلكترونات “تجمع” الطاقة على مدى فترة زمنية ، ثم تنبعث.
الاستخدامات والآثار
مضاعف ضوئي
هذه هي أنابيب مفرغة الحساسية للضوء للغاية مع photocathode المغلفة على جزء (نهاية أو جانب) من داخل المغلف. يحتوي photocathode على توليفات من المواد مثل السيزيوم والروبيديوم والأنتيمون المختارة خصيصًا لتوفير وظيفة عمل منخفضة ، لذلك عندما تنير الضوء حتى بمستويات منخفضة جدًا من الضوء ، فإن photocathode يطلق الإلكترونات بسهولة. من خلال سلسلة من الأقطاب الكهربائية (الدُوَيْدات) ذات إمكانات متزايدة باستمرار ، يتم تسريع هذه الإلكترونات وزيادتها بشكل كبير من خلال البث الثانوي لتوفير تيار خرج قابل للاكتشاف بسهولة. لا تزال تُستخدم عادةً في حال وجود مستويات منخفضة من الضوء.
مستشعرات الصور
استخدمت أنابيب كاميرا الفيديو في الأيام الأولى للتلفزيون التأثير الكهروضوئي ، على سبيل المثال ، استخدم “جهاز تشريح الصور” من Philo Farnsworth شاشة محملة بواسطة التأثير الكهروضوئي لتحويل صورة بصرية إلى إشارة إلكترونية ممسوحة ضوئيًا.
المكشاف الذهبي للورق
تم تصميم المجاهر ذات الأوراق الذهبية لاكتشاف الكهرباء الساكنة. الشحنة الموضوعة على الغطاء المعدني تنتشر إلى الساق والأوراق الذهبية للمجهر الكهربائي. ولأنهم عندئذ لديهم نفس الشحنة ، فإن الجذع وورقة الأوراق تتنافر. هذا سوف يجعل الورقة تنحني بعيدا عن الجذع.
يعد المكشاف الكهربائي أداة مهمة في توضيح التأثير الكهروضوئي. على سبيل المثال ، إذا كان الموجه الكهربائي مشحونًا سلبًا في كل مكان ، فهناك فائض من الإلكترونات ويتم فصل الورقة عن الجذع. إذا كان الضوء عالي التردد يضيء على الغطاء ، فإن المجهر يصرف ، وستقع الورقة يعرج. وذلك لأن تواتر الضوء الذي يضيء على الغطاء أعلى من عتبة حد الغطاء. تمتلك الفوتونات في الضوء طاقة كافية لتحرير الإلكترونات من الغطاء ، مما يقلل من شحنتها السلبية. سيؤدي ذلك إلى إطلاق مكشاف كهربائي مشحون سالبًا ، بالإضافة إلى شحن تيار كهربائي موجب. ومع ذلك ، إذا لم يكن للإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يصل إلى السقف المعدني تردد عالٍ بما يكفي (يكون تردده أقل من قيمة الحد الأقصى للغطاء) ، فلن يتم تفريغه أبدًا ، بغض النظر عن المدة التي يضيء فيها الضوء المنخفض التردد في قبعة.
مطياف الفوتون
وبما أن طاقة الإلكترونات الضوئية المنبعثة هي طاقة الفوتون الناشئ بالضبط ، ناقصًا دالة العمل الخاصة بالمادة أو طاقة الربط ، يمكن تحديد وظيفة العمل للعينة بقذفها بمصدر أشعة سينية أحادي اللون أو مصدر للأشعة فوق البنفسجية وقياس توزيع الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة.
عادة ما يتم إجراء التحليل الطيفي الكهروضوئي في بيئة عالية الفراغ ، حيث أن الإلكترونات سوف تكون مبعثرة بواسطة جزيئات الغاز إذا كانت موجودة. ومع ذلك ، فإن بعض الشركات تقوم الآن ببيع منتجات تسمح بعمليات تصوير ضوئي في الهواء. يمكن أن يكون مصدر الضوء ليزر ، أو أنبوب تصريف ، أو مصدر إشعاع سنكروترون.
محلل نصف كروي متحد المركز هو محلل طاقة إلكترون نموذجي ويستخدم حقلًا كهربائيًا لتغيير اتجاهات الإلكترونات الحادثة ، اعتمادًا على طاقاتها الحركية. لكل عنصر وجوهر (مدارات ذرية) ستكون هناك طاقة ربط مختلفة. ستظهر الإلكترونات العديدة التي تم إنشاؤها من كل من هذه المجموعات على شكل طفرات في مخرجات المحلل ، ويمكن استخدام هذه الإلكترونات لتحديد التركيب الأولي للعينة.
مركبه فضائيه
سوف يسبب التأثير الكهروضوئي المركبة الفضائية المعرضة لأشعة الشمس لتطوير شحنة موجبة. يمكن أن يكون هذا مشكلة كبيرة ، حيث أن أجزاء أخرى من المركبة الفضائية في الظل والتي ستؤدي إلى تطوير المركبة الفضائية شحنة سالبة من البلازما القريبة. يمكن خلل التوازن من خلال المكونات الكهربائية الحساسة. إن الشحنة الثابتة الناتجة عن التأثير الكهروضوئي هي ذاتية التحديد ، وذلك لأن الجسم المشحون الأعلى لا يتخلى عن إلكتروناته بسهولة كما يفعل الكائن الأقل شحناً.
غبار القمر
يتسبب الضوء من الشمس التي تضرب غبار القمر في أن تصبح مشحونة بالتأثير الكهروضوئي. ثم يتنازل الغبار المشحون عن نفسه ويرفع سطح القمر عن طريق الاستطالة الإلكتروستاتيكية. يتجلى ذلك في شكل “جو من الغبار” ، يظهر كضباب رقيق وخصائص غير واضحة ، ويمكن رؤيته كوهج خافت بعد أن تغيب الشمس. تم تصوير هذا لأول مرة من قبل المسابر برنامج المسح في 1960s. ويعتقد أن أصغر الجسيمات يتم صدها على بعد كيلومترات من السطح وأن الجسيمات تتحرك في “نوافير” أثناء شحنها وتفريغها.
أجهزة الرؤية الليلية
تؤدي الفوتونات التي تصيب طبقة رقيقة من فلز قلوي أو مادة شبه موصلة ، مثل زرنيخيد الغاليوم في أنبوب تكثيف الصورة ، إلى إخراج الإلكترونات الضوئية بسبب التأثير الكهروضوئي. يتم تسريعها بواسطة حقل كهرباء حيث تضرب شاشة مطلية بالفسفور ، وتحويل الإلكترونات مرة أخرى إلى فوتونات. يتم تحقيق تكثيف الإشارة إما من خلال تسريع الإلكترونات أو عن طريق زيادة عدد الإلكترونات من خلال الانبعاثات الثانوية ، كما هو الحال مع لوحة القنوات الصغرى. في بعض الأحيان يتم استخدام مزيج من كلتا الطريقتين. مطلوب طاقة حركية إضافية لتحريك الإلكترون من نطاق التوصيل إلى مستوى الفراغ. ويعرف هذا باسم تقارب الإلكترون للمعدن الضوئي وهو حاجز آخر أمام التصوير الضوئي غير النطاق الممنوع ، ويوضح ذلك نموذج الفجوة في النطاق. بعض المواد مثل Gallium Arsenide لها تقارب إلكترون فعال أقل من مستوى نطاق التوصيل. في هذه المواد ، تكون الإلكترونات التي تنتقل إلى نطاق التوصيل هي الطاقة الكافية التي تنبعث من المادة ، وعلى هذا النحو ، يمكن للفيلم الذي يمتص الفوتونات أن يكون سميكًا جدًا. تُعرف هذه المواد بأنها مواد تقارب إلكترون سالبة.
المقطع العرضي
التأثير الكهروضوئي هو آلية تفاعل واحدة بين الفوتونات والذرات. وهي واحدة من 12 تفاعلًا ممكنًا نظريًا.
في طاقات الفوتون العالية التي تشبه طاقة راحة الإلكترون التي تبلغ 511 كيلو فولت ، يمكن أن يحدث تشتت كومبتون ، عملية أخرى. أعلى مرتين هذا الإنتاج الزوج (1.022 MeV) قد يحدث. يعد تشتت كومتون وإنتاج الزوج مثالين لآليتين متنافستين أخريين.
في الواقع ، حتى لو كان التأثير الكهروضوئي هو التفاعل المفضل لتفاعل إلكترون معيّن منفردة مترابطة ، فإن النتيجة تخضع أيضًا لعمليات إحصائية وليست مضمونة ، على الرغم من أن الفوتون قد اختفى بالتأكيد وأن الإلكترون المرتبط كان متحمسًا (عادة K أو L الإلكترونات shell في طاقات أشعة غاما). يقاس احتمال التأثير الكهروضوئي الذي يحدث بواسطة المقطع العرضي للتفاعل ، σ. تم العثور على هذا ليكون وظيفة من العدد الذري للذرة الهدف والطاقة الفوتون. يتم إعطاء تقريب خام ، بالنسبة لطاقات الفوتون فوق أعلى طاقة ارتباط ذري ، من خلال:
هنا Z هو عدد ذري و n هو عدد يتراوح بين 4 و 5. (في طاقات الفوتون المنخفضة يظهر هيكل مميز مع ظهور الحواف ، K edge ، L edges ، M edges ، إلخ.) يتبع التفسير الواضح أن التأثير الكهروضوئي بسرعة يقلل من التفاهة ، في منطقة أشعة جاما من الطيف ، مع زيادة طاقة الفوتون ، وهذا التأثير الكهروضوئي يزداد بشكل حاد مع العدد الذري. والنتيجة الطبيعية هي أن المواد ذات الوزن Z تعطي دروع أشعة gاما جيدة ، وهو السبب الرئيسي في أن الرصاص (Z = 82) هو درع إشعاع غاما المفضل والموجود في كل مكان.