Fotoelektrický jev

Introduction
The photoelectric phenomenon (photoeffect) is one of three possible interactions of γ radiation with the electron shell of an atom. Of these three interactions, the photon usually has the weakest energy. It is a physical phenomenon in which electrons are released (radiated, emitted) from a substance (most often a metal ) as a result of absorption of electromagnetic radiation by the substance. Electrons emitted from the nuclear shell are then referred to as photoelectrons. Their release is referred to as photoelectric emission (photoemission).

Historie
Za objevitele fotoelektrického jevu je považován Heinrich Hertz, který si při svých pokusech (roku 1887), jejichž cílem bylo experimentální prokázání existence Maxwellem předpovězených elektromagnetických vln, všiml, že ozáření jiskřiště ultrafialovým zářením usnadňuje přeskok jiskry – tj. přenos elektrického náboje mezi elektrodami.

Roku 1899 Joseph John Thomson udělal rozhodující krok k objasnění podstaty jevu. Thomson experimentálně identifikoval v nositelích záporného náboje unikajících z ozařovaného kovového vzorku elektrony.

Vlastní podstatu fotoelektrického jevu popsal v roce 1905 Albert Einstein (Nobelovu cenu za tento objev získal v roce 1921).

Popis jevu
náhled|Dopad na povrch látky Fotoelektrický jev nastává, když se celá energie kvanta záření γ předává některému elektronu z elektronového obalu absorbujícího materiálu nebo případně volnému elektronu (např. v kovech). Část energie se spotřebuje na uvolnění elektronu (vykonáním tzv. výstupní práce Wv) a část se přemění na kinetickou energii Ek vzniklého fotoelektronu. Foton záření γ tímto zaniká a jeho energii přebírá fotoelektron, který ionizuje své okolí.

Einsteinova rovnice pro fotoefekt vyjadřuje zákon zachování energie.

$$hf=W_v+E_k$$ (h je Planckova konstanta)

Atom, kterému byl vyražen elektron je v excitovaném stavu a přechází do základního stavu emisí elektromagnetického záření o frekvenci odpovídající rozdílu energie excitovaného a základního stavu.

(Volné místo po elektronu je zaplněné jiným elektronem, který sem přeskočil z jiné slupky atomového obalu. Při tomto přeskoku se vyzáří energie ve formě charakteristického záření. Místo charakteristického záření může dojít k alternativnímu jevu - energie se předá některému elektronu na vyšší slupce, který se pak uvolní a vyzáří jako tzv. Augerův elektron.)

Foton interaguje s elektronem na slupkách K, L a M. Tedy s elektrony, které leží blízko jádru atomu. Nejčastěji probíhá na slupce K (80% pravděpodobnost).

Fofoefekt je pravděpodobnější v materiálech s vyšším protonovým číslem absorpčního materiálu (kost, kontrastní látky).

Podle představ klasické fyziky by elektronům měla být předána kinetická energie dopadajícího elektromagnetického vlnění. Energie elektromagnetických vln souvisí s intenzitou záření, tzn. energie vyzařovaných elektronů by měla záviset na intenzitě dopadajícího záření. Experimenty však ukázaly, že kinetická energie vyzařovaných elektronů je závislá na frekvenci a nikoliv na intenzitě dopadajícího záření.

Pro každý kov existuje určitá mezní frekvence f0 taková, že elektrony se uvolňují pouze při frekvenci f0 a frekvencích vyšších. Na frekvenci použitého elektromagnetického záření závisí také energie emitovaných elektronů. Pokud je frekvence f dopadajícího záření vyšší než mezní frekvence f0, mají fotoelektrony energii v rozmezí od nuly do určité maximální hodnoty Emax.

$$E_{max}=h(f-f_0)=hf-hf_0$$

Závislost pozorovaného jevu na frekvenci záření nebylo možné vysvětlit klasicky.

Druhy fotoefektu
Podle způsobu vzniku elektronů vlivem dopadajícího elektromagnetického záření můžeme rozlišit:


 * 1. vnější fotoelektrický jev − jev probíhá na povrchu látky, elektrony se uvolňují do okolí
 * 2. vnitřní fotoelektrický jev − uvolněné elektrony zůstávají v ní jako vodivostní elektrony (např. polovodiče, v nichž jsou tímto způsobem uvolňovány elektrony zejména z přechodu PN)
 * 2. vnitřní fotoelektrický jev − uvolněné elektrony zůstávají v ní jako vodivostní elektrony (např. polovodiče, v nichž jsou tímto způsobem uvolňovány elektrony zejména z přechodu PN)

Inverzní fotoelektrický jev
Inverzní (obrácený) fotoelektrický jev je jev, kdy na látku dopadají elektrony, které způsobují vyzařování fotonů.

Vysvětlení jevu
náhled|Závislost kinetické energie elektronu na frekvenci dopadajícího světla V roce 1905 Albert Einstein vyšel z Planckovy kvantové hypotézy a z představy, že elektromagnetická vlna o frekvenci f a vlnové délce λ se chová jako soubor částic (světelných kvant), z nichž každá má svou energii a hybnost. Tyto částice mají zvláštní vlastnosti, především se stále pohybují rychlostí světla a nelze je žádným způsobem zastavit, zpomalit ani urychlit. Podle teorie relativity musí mít nulovou klidovou hmotnost. Tyto částice byly v roce 1926 nazvány fotony. Velikost kvanta energie závisí na frekvenci (vlnové délce) elektromagnetického záření, přičemž platí: $$E=hf$$

Světlo při dopadu na povrch látky předává energii povrchovým elektronům zkoumané látky. K uvolnění elektronu z vazby v atomu je potřeba tzv. ionizační energie. Tato nutná energie k uvolnění elektronu může vzniknout, jestliže je vlnová délka světla dostatečně malá. V tom případě může frekvence a energie dosáhnout dostatečně vysoké hodnoty. Předáním takové energie elektronům je možné překonat tzv. fotoelektrickou bariéru k uskutečnění výstupní práce. Minimální frekvence, při níž dopadající fotony předávají elektronům výstupní energii se označuje jako prahová frekvence. Jestliže je energie předaná elektronu větší než energie potřebná k jeho uvolnění, pak fotoelektronu zůstane část energie jako kinetická energie.

Rovnice fotoelektrického jevu: $$hf=hf_0+E_{max}$$ (hf je energie dopadajícího fotonu, hf0 je výstupní práce − minimální energie potřebná k uvolnění elektronu, Emax je maximální možná energie uvolněného elektronu) Z této rovnice vyplývá, že energie uvolněného elektronu závisí pouze na frekvenci dopadajícího záření, a nikoliv na intenzitě tohoto záření.

Využití
Fotoelektrický jev hraje významnou úlohu na poli biofyziky. Příkladem je uplatnění těchto jevů při radiačních vyšetřeních pacienta. Rentgenové snímky vznikají na principu obráceného fotoelektrického jevu, kdy se povrch ostřeluje elektrony a uvolňují se paprsky X. Různé tkáně mají jinou absorbci, proto můžeme na snímcích rozeznat struktury. Elektron zcela pohltí foton a Rtg foton zaniká. Absorbce fotoelektrického jevu je na rozdíl od Comptonova rozptylu, který probíhá také, žádoucí. Při Comptonově jevu zůstávají volné elektrony a foton nezaniká, dochází tedy ke srážkám těles a mění se jejich směr a vlnová délka.

Související články

 * Comptonův rozptyl
 * Elektron-pozitronové páry
 * Záření gamma