Effet photoélectrique

L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons ou d’autres porteurs libres lorsque la lumière brille sur un matériau. Les électrons émis de cette manière peuvent être appelés électrons photo. Ce phénomène est couramment étudié en physique électronique, ainsi que dans les domaines de la chimie, tels que la chimie quantique ou l’électrochimie.

Selon la théorie électromagnétique classique, cet effet peut être attribué au transfert d’énergie de la lumière vers un électron. De ce point de vue, une altération de l’intensité de la lumière induirait des modifications de l’énergie cinétique des électrons émis par le métal. De plus, selon cette théorie, on s’attendrait à ce qu’une lumière suffisamment faible fasse apparaître un décalage entre l’éclairement initial de sa lumière et l’émission ultérieure d’un électron. Cependant, les résultats expérimentaux ne sont corrélés avec aucune des deux prédictions de la théorie classique.

Au lieu de cela, les électrons ne sont délogés que par l’impact des photons lorsque ces photons atteignent ou dépassent une fréquence seuil (énergie). En deçà de ce seuil, aucun électrons n’est émis par le matériau, quelle que soit l’intensité de la lumière ou la durée d’exposition à la lumière.(Rarement, un électron échappera en absorbant deux quanta ou plus. Cependant, ceci est extrêmement rare car, au moment où il absorbe suffisamment de quanta pour s’échapper, l’électron aura probablement émis le reste des quanta.) que la lumière puisse éjecter des électrons même si son intensité est faible, Albert Einstein a proposé qu’un faisceau de lumière ne soit pas une onde se propageant dans l’espace, mais plutôt un ensemble de paquets d’ondes discrets (photons) d’énergie chacun. Ceci a permis de mieux comprendre la découverte antérieure de Max Planck de la relation de Planck (E = hν) liant l’énergie (E) et la fréquence (ν) résultant de la quantification de l’énergie. Le facteur h est appelé constante de Planck.

En 1887, Heinrich Hertz a découvert que les électrodes éclairées par la lumière ultraviolette créent plus facilement des étincelles électriques. En 1900, alors qu’il étudiait le rayonnement des corps noirs, le physicien allemand Max Planck a suggéré que l’énergie transportée par les ondes électromagnétiques ne pouvait être libérée que dans des «paquets» d’énergie. En 1905, Albert Einstein a publié un article faisant avancer l’hypothèse que l’énergie lumineuse est transportée dans des paquets quantifiés discrets pour expliquer les données expérimentales de l’effet photoélectrique.Ce modèle a contribué au développement de la mécanique quantique. En 1914, l’expérience de Millikan a soutenu le modèle d’Einstein de l’effet photoélectrique. Einstein a reçu le prix Nobel en 1921 pour “sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique” et Robert Millikan a reçu le prix Nobel en 1923 pour “ses travaux sur la charge élémentaire de l’électricité et sur l’effet photoélectrique”.

L’effet photoélectrique nécessite des photons dont les énergies sont proches de zéro (dans le cas d’une affinité électronique négative) à plus de 1 MeV pour les électrons du cœur dans les éléments ayant un numéro atomique élevé. L’émission d’électrons de conduction à partir de métaux typiques nécessite généralement quelques électrons-volts, correspondant à une lumière visible ou ultraviolette à courte longueur d’onde. L’étude de l’effet photoélectrique a conduit à des étapes importantes dans la compréhension de la nature quantique de la lumière et des électrons et a influencé la formation du concept de dualité onde-particule. Parmi les autres phénomènes où la lumière affecte le mouvement des charges électriques, citons l’effet photoconducteur (également appelé photoconductivité ou photorésistance), l’effet photovoltaïque et l’effet photoélectrochimique.

La photoémission peut provenir de n’importe quel matériau, mais elle est plus facilement observable à partir de métaux ou d’autres conducteurs car le processus produit un déséquilibre de charge et si ce déséquilibre de charge n’est pas neutralisé par le courant (permis par la conductivité) le courant d’émission cesse. Il est également habituel d’avoir la surface émettrice sous vide, car les gaz empêchent l’écoulement des photoélectrons et les rendent difficiles à observer. De plus, les fines couches d’oxyde sur les surfaces métalliques augmentent généralement la barrière énergétique à la photoémission si le métal a été exposé à l’oxygène. Par conséquent, la plupart des expériences et des dispositifs basés sur l’effet photoélectrique utilisent des surfaces métalliques propres sous vide.

Lorsque le photoélectron est émis dans un solide plutôt que dans le vide, le terme photoémission interne est souvent utilisé, et l’émission dans un vide distingué comme photoémission externe.

Mécanisme d’émission
Les photons d’un faisceau lumineux ont une énergie caractéristique proportionnelle à la fréquence de la lumière. Dans le processus de photoémission, si un électron dans un matériau absorbe l’énergie d’un photon et acquiert plus d’énergie que la fonction de travail (l’énergie de liaison des électrons) du matériau, il est éjecté. Si l’énergie des photons est trop faible, l’électron ne peut pas échapper au matériau. Comme une augmentation de l’intensité de la lumière à basse fréquence ne fera qu’augmenter le nombre de photons de faible énergie envoyés sur un intervalle de temps donné, ce changement d’intensité ne créera aucun photon avec suffisamment d’énergie pour déloger un électron. Ainsi, l’énergie des électrons émis ne dépend pas de l’intensité de la lumière entrante, mais uniquement de l’énergie (fréquence équivalente) des photons individuels. C’est une interaction entre le photon incident et les électrons les plus externes.

Les électrons peuvent absorber l’énergie des photons lorsqu’ils sont irradiés, mais ils suivent généralement le principe du “tout ou rien”. Toute l’énergie d’un photon doit être absorbée et utilisée pour libérer un électron de la liaison atomique, sinon l’énergie est réémise. Si l’énergie des photons est absorbée, une partie de l’énergie libère l’électron de l’atome et le reste contribue à l’énergie cinétique de l’électron en tant que particule libre.

Observations expérimentales de l’émission photoélectrique
La théorie de l’effet photoélectrique doit expliquer les observations expérimentales de l’émission d’électrons à partir d’une surface métallique éclairée.

Pour une surface métallique donnée, il existe une certaine fréquence minimale de rayonnement incident en dessous de laquelle aucun photoélectron n’est émis. Cette fréquence s’appelle la fréquence de seuil. L’augmentation de la fréquence du faisceau incident, en maintenant le nombre de photons incidents fixés (cela entraînerait une augmentation proportionnelle de l’énergie), augmente l’énergie cinétique maximale des photoélectrons émis. Ainsi, la tension d’arrêt augmente.Le nombre d’électrons change également en raison de la probabilité que chaque photon produise un électron émis qui est fonction de l’énergie des photons. Si l’intensité du rayonnement incident d’une fréquence donnée est augmentée, il n’y a pas d’effet sur l’énergie cinétique de chaque photoélectron.

Au-dessus de la fréquence de seuil, l’énergie cinétique maximale du photoélectron émis dépend de la fréquence de la lumière incidente, mais elle est indépendante de l’intensité de la lumière incidente tant que celle-ci n’est pas trop élevée.

Pour un métal donné et la fréquence du rayonnement incident, la vitesse à laquelle les photoélectrons sont éjectés est directement proportionnelle à l’intensité de la lumière incidente. Une augmentation de l’intensité du faisceau incident (en maintenant la fréquence fixe) augmente l’amplitude du courant photoélectrique, bien que la tension d’arrêt reste la même.

Le délai entre l’incidence du rayonnement et l’émission d’un photoélectron est très faible, inférieur à 10−9 secondes.

La direction de la distribution des électrons émis atteint son maximum dans la direction de la polarisation (la direction du champ électrique) de la lumière incidente, si elle est polarisée linéairement.

Description mathématique
En 1905, Einstein proposa une explication de l’effet photoélectrique en utilisant un concept mis en avant par Max Planck, selon lequel les ondes lumineuses se composent de minuscules faisceaux ou de paquets d’énergie appelés photons ou quanta.

L’énergie cinétique maximale  d’un électron éjecté est donné par

où  est la constante de Planck et  est la fréquence du photon incident. Le terme  est la fonction de travail (parfois notée  , ou  , qui donne le minimum d’énergie nécessaire pour éliminer un électron délocalisé de la surface du métal. La fonction de travail satisfait


où  est la fréquence de seuil pour le métal. L’énergie cinétique maximale d’un électron éjecté est alors

L’énergie cinétique est positive, nous devons donc avoir  pour que l’effet photoélectrique se produise.

Potentiel d’arrêt
La relation entre la tension actuelle et la tension appliquée illustre la nature de l’effet photoélectrique.A des fins de discussion, une source de lumière illumine une plaque P, et une autre électrode à plaque Q collecte des électrons émis. Nous faisons varier le potentiel entre P et Q et mesurons le courant circulant dans le circuit externe entre les deux plaques.

Si la fréquence et l’intensité du rayonnement incident sont fixes, le courant photoélectrique augmente progressivement avec une augmentation du potentiel positif sur l’électrode collectrice jusqu’à ce que tous les photoélectrons émis soient collectés. Le courant photoélectrique atteint une valeur de saturation et n’augmente plus pour aucune augmentation du potentiel positif. Le courant de saturation augmente avec l’augmentation de l’intensité lumineuse. Il augmente également avec des fréquences plus élevées en raison d’une plus grande probabilité d’émission d’électrons lorsque des collisions se produisent avec des photons de plus haute énergie.

Si l’on applique un potentiel négatif à la plaque collectrice Q par rapport à la plaque P et qu’on l’augmente progressivement, le courant photoélectrique diminue, devenant nul à un certain potentiel négatif. Le potentiel négatif sur le collecteur auquel le courant photoélectrique devient nul est appelé potentiel d’arrêt ou potentiel de coupure

je. Pour une fréquence donnée de rayonnement incident, le potentiel d’arrêt est indépendant de son intensité.

ii. Pour une fréquence donnée de rayonnement incident, le potentiel d’arrêt est déterminé par l’énergie cinétique maximale  des photoélectrons émis. Si e est la charge sur l’électron et est le potentiel d’arrêt, alors le travail effectué par le potentiel de ralentissement pour arrêter l’électron est  , donc nous avons

Rappel

nous voyons que la tension d’arrêt varie linéairement avec la fréquence de la lumière, mais dépend du type de matériau. Pour tout matériau particulier, il existe une fréquence de seuil qui doit être dépassée, indépendamment de l’intensité lumineuse, pour observer toute émission d’électrons.

Modèle en trois étapes
Dans le régime des rayons X, l’effet photoélectrique dans le matériau cristallin est souvent décomposé en trois étapes:

Effet photoélectrique interne (voir la photodiode ci-dessous [clarification nécessaire]). Le trou laissé peut provoquer un effet Auger, qui est visible même lorsque l’électron ne quitte pas le matériau.Dans les solides moléculaires, les phonons sont excités dans cette étape et peuvent être visibles sous forme de lignes dans l’énergie finale des électrons. L’effet de photo interne doit être permis par le dipôle [clarification nécessaire] Les règles de transition pour les atomes se traduisent par le modèle de liaison étroite sur le cristal [clarification nécessaire] Elles ont une géométrie similaire aux oscillations de plasma, car elles doivent être transversales.
Transport balistique [clarification nécessaire] de la moitié des électrons à la surface. Certains électrons sont dispersés.
Les électrons s’échappent du matériau à la surface.
Dans le modèle en trois étapes, un électron peut emprunter plusieurs chemins à travers ces trois étapes. Tous les chemins peuvent interférer dans le sens de la formulation intégrale du chemin. Pour les états de surface et les molécules, le modèle en trois étapes a encore du sens, car même la plupart des atomes ont plusieurs électrons qui peuvent disperser le électron sortant.

Histoire
Lorsqu’une surface est exposée à un rayonnement électromagnétique supérieur à une certaine fréquence seuil (généralement la lumière visible pour les métaux alcalins, les ultraviolets proches pour les autres métaux et les ultraviolets extrêmes pour les non-métaux), le rayonnement est absorbé et des électrons sont émis. La lumière, et en particulier la lumière ultraviolette, décharge des corps électriquement négatives avec la production de rayons de même nature que les rayons cathodiques. Dans certaines circonstances, il peut directement ioniser les gaz. Le premier de ces phénomènes a été découvert par Hertz et Hallwachs en 1887. Le second a été annoncé en premier par Philipp Lenard en 1900.

La lumière ultraviolette produisant ces effets peut être obtenue à partir d’une lampe à arc, ou en brûlant du magnésium, ou en produisant une bobine d’induction entre des bornes de zinc ou de cadmium dont la lumière est très riche en rayons ultraviolets. La lumière du soleil n’est pas riche en rayons ultraviolets, ceux-ci ayant été absorbés par l’atmosphère, et son effet n’est pas aussi important que celui de la lumière de l’arc. Outre les métaux, de nombreuses substances rejettent de l’électricité négative sous l’action de la lumière ultraviolette: des listes de ces substances seront trouvées dans des articles de GC Schmidt et O. Knoblauch.

19ème siècle
En 1839, Alexandre Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque en étudiant l’effet de la lumière sur les cellules électrolytiques. Bien que n’étant pas équivalent à l’effet photoélectrique, ses travaux sur le photovoltaïque ont joué un rôle déterminant dans la mise en évidence d’une relation étroite entre les propriétés légères et électroniques des matériaux. En 1873, Willoughby Smith découvrit la photoconductivité dans le sélénium tout en testant le métal pour ses propriétés de haute résistance en liaison avec ses travaux sur les câbles télégraphiques sous-marins.

Johann Elster (1854–1920) et Hans Geitel (1855–1923), étudiants à Heidelberg, ont mis au point les premières cellules photoélectriques pratiques permettant de mesurer l’intensité de la lumière.: 458 Elster et Geitel ont étudié avec succès les effets produits par la lumière sur les corps électrifiés.

En 1887, Heinrich Hertz a observé l’effet photoélectrique et la production et la réception d’ondes électromagnétiques. Il a publié ces observations dans la revue Annalen der Physik. Son récepteur consistait en une bobine avec un éclateur, où une étincelle serait détectée lors de la détection des ondes électromagnétiques. Il a placé l’appareil dans une boîte sombre pour mieux voir l’étincelle.Cependant, il a remarqué que la longueur maximale des étincelles était réduite dans la boîte. Un panneau de verre placé entre la source des ondes électromagnétiques et le récepteur a absorbé le rayonnement ultraviolet qui a aidé les électrons à traverser le vide. Une fois retirée, la longueur d’étincelle augmenterait. Il n’a observé aucune diminution de la longueur des étincelles quand il a remplacé le verre par du quartz, car le quartz n’absorbe pas le rayonnement UV. Hertz a terminé ses mois d’enquête et a rapporté les résultats obtenus. Il n’a pas poursuivi l’enquête sur cet effet.

La découverte par Hertz en 1887 que l’incidence de la lumière ultraviolette sur l’éclateur a facilité le passage de l’étincelle, conduisant immédiatement à une série d’investigations de Hallwachs, Hoor, Righi et Stoletow sur l’effet de la lumière et surtout de l’ultra. -violet, sur des corps chargés. Il a été prouvé par ces recherches qu’une surface de zinc nouvellement nettoyée, si elle était chargée d’électricité négative, perd rapidement cette charge, aussi petite soit-elle, lorsque la lumière ultraviolette tombe sur la surface; tandis que si la surface n’est pas chargée au départ, elle acquiert une charge positive lorsqu’elle est exposée à la lumière, l’électrification négative sortant dans le gaz par lequel le métal est entouré; Cette électrification positive peut être beaucoup plus importante en dirigeant un jet d’air puissant contre la surface. Si toutefois la surface de zinc est électrifiée positivement, elle ne subit aucune perte de charge lorsqu’elle est exposée à la lumière: ce résultat a été remis en question, mais un examen très attentif du phénomène par Elster et Geitel a montré que la perte observée la décharge par la lumière réfléchie par la surface de zinc de l’électrification négative sur les conducteurs voisins induite par la charge positive, l’électricité négative sous l’influence du champ électrique remontant vers la surface positivement électrifiée.

20ième siècle
La découverte de l’ionisation des gaz par la lumière ultraviolette a été faite par Philipp Lenard en 1900. L’effet étant produit sur plusieurs centimètres d’air et produisant de très grands ions négatifs positifs et petits, il était naturel d’interpréter le phénomène, comme l’a fait JJ Thomson, comme effet Hertz sur les particules solides ou liquides présentes dans le gaz.

En 1902, Lenard a observé que l’énergie des électrons émis individuels augmentait avec la fréquence (qui est liée à la couleur) de la lumière.

Cela semblait être en contradiction avec la théorie de la lumière de Maxwell, qui prédit que l’énergie des électrons serait proportionnelle à l’intensité du rayonnement.

Lenard a observé la variation de l’énergie des électrons avec la fréquence lumineuse à l’aide d’une puissante lampe à arc électrique, ce qui lui a permis d’étudier d’importants changements d’intensité et de pouvoir étudier la variation du potentiel avec la fréquence lumineuse. Son expérience mesure directement les potentiels, pas l’énergie cinétique des électrons: il trouve l’énergie des électrons en la rapportant au potentiel d’arrêt maximal (tension) dans un phototube. Il a constaté que l’énergie cinétique maximale des électrons calculée est déterminée par la fréquence de la lumière. Par exemple, une augmentation de la fréquence entraîne une augmentation de l’énergie cinétique maximale calculée pour un électron lors de la libération – le rayonnement ultraviolet nécessiterait un potentiel d’arrêt plus élevé pour arrêter le courant dans un phototube que la lumière bleue.Cependant, les résultats de Lenard étaient qualitatifs plutôt que quantitatifs en raison de la difficulté à effectuer les expériences: les expériences devaient être effectuées sur du métal fraîchement coupé de façon à ce que le métal pur soit observé en quelques minutes, même dans les vides partiels. utilisé. Le courant émis par la surface était déterminé par l’intensité ou la luminosité de la lumière: doubler l’intensité de la lumière doublait le nombre d’électrons émis par la surface.

Les recherches de Langevin et celles d’Eugene Bloch ont montré que la plus grande partie de l’effet Lenard est certainement due à cet «effet Hertz». L’effet Lenard sur le gaz [clarification nécessaire] existe néanmoins. Refondu par JJ Thomson puis plus décisivement par Frederic Palmer, Jr., il fut étudié et présentait des caractéristiques très différentes de celles que lui avait initialement attribuées Lenard.

En 1905, Albert Einstein a résolu ce paradoxe apparent en décrivant la lumière comme étant composée de quanta discrets, maintenant appelés photons, plutôt que comme des ondes continues.Basé sur la théorie de Max Planck sur le rayonnement du corps noir, Einstein a théorisé que l’énergie dans chaque quantum de lumière était égale à la fréquence multipliée par une constante, appelée plus tard constante de Planck. Un photon au-dessus d’une fréquence de seuil a l’énergie nécessaire pour éjecter un seul électron, créant ainsi l’effet observé. Cette découverte a mené à la révolution quantique en physique et a valu à Einstein le prix Nobel de physique en 1921. Par la dualité onde-particule, l’effet peut être analysé uniquement en termes d’ondes, mais moins facilement.

La description mathématique d’Albert Einstein de la manière dont l’effet photoélectrique était provoqué par l’absorption des quanta de lumière figurait dans l’un de ses 1905 articles, intitulé “Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière”. Cet article proposait une description simple des “quanta de lumière”, ou photons, et montrait comment ils expliquaient des phénomènes tels que l’effet photoélectrique. Son explication simple en termes d’absorption de quanta de lumière discret expliquait les caractéristiques du phénomène et la fréquence caractéristique.

L’effet photoélectrique a contribué à propulser le concept de la dualité onde-particule dans la nature de la lumière. La lumière possède simultanément les caractéristiques des ondes et des particules, chacune se manifestant selon les circonstances. L’effet était impossible à comprendre en termes de description classique de la lumière, car l’énergie des électrons émis ne dépendait pas de l’intensité du rayonnement incident. La théorie classique prédit que les électrons «rassembleront» de l’énergie sur une période de temps et seront ensuite émis.

Usages et effets

Photomultiplicateurs
Ce sont des tubes à vide extrêmement sensibles à la lumière avec une photocathode revêtue sur une partie (une extrémité ou un côté) de l’intérieur de l’enveloppe. La photocathode contient des combinaisons de matériaux tels que le césium, le rubidium et l’antimoine, spécialement sélectionnés pour fournir une faible fonction de travail. Ainsi, lorsqu’elle est éclairée même par de très faibles niveaux de lumière, la photocathode libère facilement des électrons. Au moyen d’une série d’électrodes (dynodes) à des potentiels toujours plus élevés, ces électrons sont accélérés et leur nombre augmente sensiblement par émission secondaire pour fournir un courant de sortie facilement détectable. Les photomultiplicateurs sont encore couramment utilisés partout où de faibles niveaux de lumière doivent être détectés.

Capteurs d’image
Au début de la télévision, des tubes de caméra vidéo utilisaient l’effet photoélectrique. Par exemple, le “dissecteur d’image” de Philo Farnsworth utilisait un écran chargé par l’effet photoélectrique pour transformer une image optique en un signal électronique scanné.

Électroscope à feuilles d’or
Les électroscopes à feuilles d’or sont conçus pour détecter l’électricité statique. La charge placée sur le capuchon métallique se propage à la tige et à la feuille d’or de l’électroscope. Parce qu’ils ont la même charge, la tige et la feuille se repoussent. Cela provoquera la courbure de la feuille.

Un électroscope est un outil important pour illustrer l’effet photoélectrique. Par exemple, si l’électroscope est chargé négativement partout, il y a un excès d’électrons et la feuille est séparée de la tige. Si la lumière à haute fréquence éclaire le capuchon, l’électroscope se décharge et la feuille tombe en panne. Ceci est dû au fait que la fréquence de la lumière sur le bouchon est supérieure à la fréquence de seuil du bouchon. Les photons dans la lumière ont suffisamment d’énergie pour libérer les électrons du bouchon, réduisant ainsi sa charge négative. Cela va décharger un électroscope chargé négativement et charger un électroscope positif. Cependant, si le rayonnement électromagnétique frappant le capuchon métallique n’a pas une fréquence suffisamment élevée (sa fréquence est inférieure à la valeur seuil pour le capuchon), le battant ne se déchargera jamais, quelle que soit la longueur de la lumière basse fréquence au casquette.

Spectroscopie photoélectronique
Puisque l’énergie des photoélectrons émis est exactement l’énergie du photon incident moins la fonction de travail ou l’énergie de liaison du matériau, la fonction de travail d’un échantillon peut être déterminée en la bombardant avec une source de rayons X monochromatique ou une source distribution d’énergie cinétique des électrons émis.

La spectroscopie photoélectronique se fait généralement dans un environnement à vide poussé, car les électrons seraient dispersés par les molécules de gaz s’ils étaient présents. Cependant, certaines entreprises vendent maintenant des produits permettant la photoémission dans l’air. La source de lumière peut être un laser, un tube à décharge ou une source de rayonnement synchrotron.

L’analyseur hémisphérique concentrique est un analyseur d’énergie d’électrons typique et utilise un champ électrique pour modifier la direction des électrons incidents, en fonction de leurs énergies cinétiques. Pour chaque élément et cœur (orbitale atomique), il y aura une énergie de liaison différente. Les nombreux électrons créés à partir de chacune de ces combinaisons apparaîtront sous forme de pointes dans la sortie de l’analyseur et pourront être utilisés pour déterminer la composition élémentaire de l’échantillon.

Vaisseau spatial
L’effet photoélectrique provoquera une charge positive des vaisseaux spatiaux exposés au soleil.Cela peut être un problème majeur, car d’autres parties de l’engin spatial sont dans l’ombre, ce qui entraînera le développement d’une charge négative de l’engin spatial à partir de plasmas à proximité. Le déséquilibre peut se produire à travers des composants électriques délicats. La charge statique créée par l’effet photoélectrique est auto-limitante, car un objet chargé plus haut n’abandonne pas ses électrons aussi facilement qu’un objet moins chargé.

Poussière de lune
La lumière du soleil qui frappe la poussière lunaire provoque son effet photoélectrique. La poussière chargée se repousse alors et soulève la surface de la lune par lévitation électrostatique. Cela se manifeste presque comme une “atmosphère de poussière”, visible sous la forme d’une brume et d’un flou de traits distants, et visible comme une faible lueur après le coucher du soleil. Cela a été photographié pour la première fois par les sondes du programme Surveyor dans les années 1960.On pense que les particules les plus petites sont repoussées à des kilomètres de la surface et que les particules se déplacent dans des “fontaines” lorsqu’elles se chargent et se déchargent.

Appareils de vision nocturne
Les photons frappant un film mince de métal alcalin ou de matériau semi-conducteur tel que l’arséniure de gallium dans un tube intensificateur d’image provoquent l’éjection de photoélectrons due à l’effet photoélectrique. Celles-ci sont accélérées par un champ électrostatique où elles heurtent un écran recouvert de phosphore, convertissant les électrons en photons. L’intensification du signal est obtenue soit par l’accélération des électrons, soit par l’augmentation du nombre d’électrons à travers les émissions secondaires, comme avec une plaque à micro-canaux. Parfois, une combinaison des deux méthodes est utilisée. Une énergie cinétique supplémentaire est nécessaire pour déplacer un électron hors de la bande de conduction et dans le niveau de vide. Ceci est connu comme l’affinité électronique de la photocathode et constitue un autre obstacle à la photoémission autre que la bande interdite, expliquée par le modèle de bande interdite. Certains matériaux tels que l’arséniure de gallium ont une affinité électronique effective inférieure au niveau de la bande de conduction. Dans ces matériaux, les électrons qui se déplacent vers la bande de conduction représentent toute l’énergie suffisante pour être émise par le matériau et, en tant que tel, le film qui absorbe les photons peut être assez épais. Ces matériaux sont connus sous le nom de matériaux à affinité électronique négative.

La Coupe transversale
L’effet photoélectrique est un mécanisme d’interaction entre les photons et les atomes. C’est l’une des 12 interactions théoriquement possibles.

Aux énergies de photons élevées, comparables à l’énergie restante des électrons de 511 keV, la diffusion Compton peut avoir lieu. Au-dessus de deux fois cette production de paire (1,022 MeV) peut avoir lieu. La diffusion Compton et la production de paires sont des exemples de deux autres mécanismes concurrents.

En effet, même si l’effet photoélectrique est la réaction privilégiée pour une interaction d’électrons liés à un seul photon, le résultat est également soumis à des processus statistiques et n’est pas garanti, bien que le photon ait certainement disparu et qu’un électron lié ait été excité (généralement Électrons de coque K ou L aux énergies gamma). La probabilité que l’effet photoélectrique se produise est mesurée par la section transversale de l’interaction, σ. Cela s’est révélé être une fonction du numéro atomique de l’atome cible et de l’énergie photonique. Une approximation brute, pour des énergies de photons supérieures à l’énergie de liaison atomique la plus élevée, est donnée par:

Ici Z est le numéro atomique et n est un nombre qui varie entre 4 et 5. (Aux énergies de photons inférieures, une structure caractéristique avec des arêtes apparaît, arête K, arêtes L, arêtes M, etc.) L’interprétation évidente est que l’effet photoélectrique est rapide diminue la non-importance, dans la région des rayons gamma du spectre, de l’énergie photonique croissante, et cet effet photoélectrique augmente fortement avec le nombre atomique. Le corollaire est que les matériaux à haute teneur en Z constituent de bons boucliers de rayons gamma, ce qui est la principale raison pour laquelle le plomb (Z = 82) est un bouclier de rayonnement gamma préféré et omniprésent.