Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект заключается в испускании электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Явление наблюдается, когда фотон с энергией, превышающей работу выхода материала, взаимодействует с электроном, передавая ему всю свою энергию. Этот электрон, преодолев потенциальный барьер, покидает вещество.

Различают два типа фотоэффекта:

  • Внешний фотоэффект — испускание электронов с поверхности вещества.
  • Внутренний фотоэффект — перемещение электронов внутри вещества (в том числе генерация электронно-дырочных пар в полупроводниках).

В ядерной физике и атомной физике основной интерес представляет внешний фотоэффект при взаимодействии гамма-квантов с веществом.

Энергетический баланс явления

При фотоэффекте поглощённый фотон полностью передаёт свою энергию связанному электрону. Закон сохранения энергии в этом процессе выражается уравнением:

hν = Aвых + Ek

где hν — энергия фотона, Aвых — работа выхода электрона из вещества, Ek — кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона.

Работа выхода зависит от химического элемента и его электронной структуры. Для внутренних оболочек она выражается в сотнях или тысячах электронвольт, а для поверхностных — в нескольких эВ.

Зависимость фотоэффекта от частоты излучения

Экспериментально установлено, что:

  • Электроны испускаются только при условии, что энергия фотона превышает определённый порог — работу выхода.
  • При увеличении частоты излучения (при прочих равных) увеличивается кинетическая энергия фотоэлектронов.
  • Число вылетающих электронов пропорционально интенсивности света, но энергия каждого фотоэлектрона — только частоте.

Это противоречило классической электродинамике, предсказывавшей непрерывное накопление энергии и зависимость кинетической энергии от интенсивности излучения. Данные наблюдения были объяснены Альбертом Эйнштейном в 1905 году, что послужило ключевым доказательством квантовой природы света.

Фотоэффект в гамма-диапазоне

В контексте ядерной физики рассматривается фотоэффект, вызываемый высокоэнергетическими фотонами — гамма-квантами. При этом фотоэффект представляет собой один из механизмов взаимодействия гамма-излучения с веществом наряду с комптоновским рассеянием и образованием пар.

Особенности:

  • Фотоэффект наиболее вероятен при взаимодействии с внутренними оболочками атома, особенно с K-оболочкой (n=1).
  • Вероятность фотоэффекта резко возрастает при энергии фотона, чуть превышающей энергию связи соответствующего уровня — эффект “края поглощения”.
  • После выбивания электрона образуется “дырка”, заполняемая более внешним электроном, что сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения или ауже-электрона.

Зависимость сечения фотоэффекта от параметров

Вероятность фотоэффекта характеризуется сечением взаимодействия σф, которое зависит от:

  • Энергии фотона Eγ
  • Зарядового числа ядра Z

Приближённо:

$$ \sigma_{\text{ф}} \propto \frac{Z^n}{E_\gamma^m} $$

где n ≈ 4 − 5, m ≈ 3 − 4 (в зависимости от диапазона энергий и оболочки).

Таким образом, фотоэффект преимущественно реализуется при низких энергиях фотонов и высоких Z. Это делает материалы с большим атомным номером (например, свинец, висмут) эффективными экранами для поглощения гамма-излучения.

Фотоэлектроны и их спектры

Фотоэлектрон — это электрон, испущенный в результате поглощения фотона. Его кинетическая энергия зависит от энергии падающего фотона и энергии связи электрона. При моноэнергетическом источнике фотонов спектр фотоэлектронов состоит из отдельных линий, соответствующих различным оболочкам:

Ek = hν − Eb

где Eb — энергия связи электрона на соответствующей оболочке.

Характеристики:

  • Основной пик соответствует выбиванию с K-оболочки (самая высокая энергия фотоэлектрона).
  • Дополнительные пики — от L, M и других оболочек.
  • Возможны пики от ауже-процессов.

Фотоэлектронный спектр используется в аналитических методах (например, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, XPS) для исследования состава поверхности вещества.

Конкуренция с другими процессами

При взаимодействии гамма-квантов с веществом, фотоэффект конкурирует с другими механизмами:

  1. Комптоновское рассеяние — преобладает при средних энергиях (сотни кэВ).
  2. Образование пар — доминирует при энергиях выше 1,02 МэВ.

Распределение по энергическим диапазонам:

  • Ниже ~100 кэВ — преобладает фотоэффект.
  • 100–1000 кэВ — доминирует комптоновское рассеяние.

  • 1,02 МэВ — начинает преобладать образование электрон-позитронных пар.

Фотоэффект и детекторы излучения

Механизм фотоэффекта лежит в основе работы многих детекторов ионизирующего излучения:

  • В сцинтилляционных и газоразрядных счётчиках фотоэлектрон инициирует каскад ионизации.
  • В полупроводниковых детекторах фотоэффект вызывает образование электронно-дырочных пар.
  • В фотокатодах фотоэлектронов используют в фотоумножителях.

Для регистрации слабых потоков излучения важна высокая вероятность фотоэффекта, что требует выбора материалов с высоким Z.

Явление фотоэффекта в астрофизике и медицине

Астрофизика. Фотоэффект играет важную роль в процессах поглощения рентгеновского и гамма-излучения в межзвёздной среде. Поглощение излучения элементами, такими как кислород, углерод и железо, формирует спектральные особенности, используемые в рентгеновской спектроскопии звёздных объектов.

Медицинская физика. При рентгеновской диагностике доминирует фотоэффект, особенно при использовании низкоэнергетических излучений (30–100 кэВ), что обеспечивает контрастное изображение костной и мягкой ткани (за счёт разницы в Z).

Роль в квантовой теории света

Фотоэлектрический эффект стал важнейшим аргументом в пользу квантовой гипотезы света. Эйнштейн, интерпретируя данные Ленарда и Милликена, ввёл понятие фотона — кванта света с энергией hν. Его модель позволила объяснить все экспериментальные особенности, что привело к революции в физике и получению Эйнштейном Нобелевской премии в 1921 году.

Фотоэффект, как фундаментальное явление, демонстрирует не только корпускулярные свойства света, но и глубокую связь между электромагнитным полем и квантовыми состояниями материи.

Оглавление