اثر فوتوالکتریک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish

اثر فوتوالکتریک پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون بعد از جذب انرژی از فوتون، یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود.

این پدیده همچنین به اثر هرتز معروف است و این به خاطر کشفش توسط هاینریش هرتز است (هرچند امروزه این لفظ بلااستفاده می‌باشد). اثر فوتوالکتریک با فوتونهایی با انرژی پایین در حدود چند الکترون‌ولت مشاهده می‌شود. اگر فوتون به اندازهٔ کافی انرژی بالا داشته باشد (در حد چند کیلو الکترون‌ولت) پدیدهٔ دیگری به نام اثر پراکندگی کامپتون و اگر انرژی آن در حد چند مگا الکترون‌ولت باشد پدیدهٔ دیگری به نام جفت‌سازی (Pair production) رخ می‌دهد. مطالعهٔ پدیدهٔ فوتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک حقیقت کوانتومی نور شد.

این اثر یکی از بخش‌های مهم فیزیک است که در سال ۱۹۲۱ آلبرت اینشتین به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک گرفت.

نموداری از تابش الکترون‌ها از یک صفحهٔ فلزی. این امر زمانی رخ می‌دهد که انرژی واردشده توسط فوتون داخل‌شونده بیش از تابع کار ماده باشد.

تاریخچه[ویرایش]

اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز در سال ۱۸۸۷ در جریان آزمایش‌هایی کشف شد که هدف عمده آن‌ها تأیید پیشگویی‌های نظری ماکسول در مورد وجود امواج الکترومغناطیسی حاصل از جریان‌های الکتریکی نوسانی بود. اثر فوتوالکتریک پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود. ما در این متن لفظ فوتوالکترون را به این الکترون گسیل شده اطلاق می‌کنیم.

مشاهدات اولیه[ویرایش]

در ۱۸۳۹، الکساندر ادموند بکرل پدیدهٔ فوتوالکتریک را در یک الکترود مشاهده کرد، الکترودی که در داخل یک محلول شیمیایی یونی قرار داشت و محلول در معرض نور قرار گرفته بود. در ۱۸۷۳ میلادی اسمیت فهمید که سلنیوم یک مادهٔ نور-هادی است. ماده‌ای که مقاومت الکتریکی ان با شدت روشنایی تغییر می‌کند.

دهانهٔ جرقهٔ هرتز (hert’s spark gap)[ویرایش]

در ۱۸۸۷ هاینریش هرتز، پدیدهٔ فوتوالکتریک و تولید و دریافت امواج الکترومغناطیسی را مشاهده کرد. او این مشاهدات را در مجلهٔ annalen der physik منتشر کرد. دستگاه گیرندهٔ امواج الکترومغناطیسی که او ساخته بود از یک سیم پیچ و دو گوی کوچک که در فاصلهٔ بسیار کمی از هم قرار داشتند تشکیل شده بود. زمانی که نوسانات الکترومغناطیسی در سیم پیچ باعث به وجود آمدن جریان الکتریکی در مدار گیرنده می‌شدند، آنگاه سیم پیچ که هر یک از دو سیم آن به یکی از این گوی‌ها متصل بود، این گوی‌ها را به‌طور متناوب دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌کرد و در نتیجه این بارهای الکتریکی شارج شده در گوی‌ها، در هوا تخلیه الکتریکی می‌شد (و این با ایجاد جرقه قابل دید بود) و آنگاه بود که هرتز می‌فهمید دستگاه گیرنده در حال دریافت امواج الکترومغناطیسی است. ما این گوی‌ها را دهانه جرقه می‌نامیم. او دستگاه گیرنده را در جعبه‌ای تاریک قرار داد تا جرقه‌ها را بهتر ببیند. به هر حال او متوجه شد که وقتی در جعبه بین گیرنده و فرستنده یک دیوارهٔ شیشه‌ای قرار می‌دهیم، ماکزیمم طول جرقه کاهش می‌یابد؛ و این بدان خاطر است که اگر شیشه قرار نداشت دوگوی پرتوی فرابنفش تولید شده در گیرنده را جذب می‌کردند و انرژی آن الکترون را در پرش از سطح گوی‌ها یاری می‌کرد. وقتی شیشه برداشته شد طول جرقه باید افزایش پیدا می‌کرد. او هیچ کاهشی را در طول جرقه مشاهده نکرد وقتی به جای شیشه، کوارتز را قرار داد؛ و این بدان خاطر است که کواتز نمی‌تواند از عبور امواج فرابنفش جلوگیری کند حال آنکه شیشه دارای چنین خاصیتی است. هرتز ماه‌ها تحقیق را به پایان رساند و نتایجی که به دست آورده بود را گزارش کرد. اما او تحقیق روی این پدیده را بیش از این ادامه نداد و نه حتی تلاشی نکرد تا بفهمد که این پدیده از کجا آمده.

جی.جی. تامسون:الکترون[ویرایش]

در سال ۱۸۹۹، تامسون روی پرتوی فرابنفش در لامپ تولید پرتوی ایکس تحقیق می‌کرد. متأثر از کارهای جیمز کلارک ماکسول تامسون دریافت که پرتوهای کاتدی از ذرات دارای بار منفی تشکیل شده‌اند که بعدها این ذرات الکترون نام‌گذاری شد اما تامسون آن‌ها را کورپوسل(corpuscles) می‌خواند. در این تحقیق تامسون دو صفحهٔ فلزی (الکترود) را در یک لولهٔ خلاء قرار داد و آن را تحت تابش فرکانس بالا قرار داد. تامسون فکر می‌کرد که میدان الکترومغناطیسی در حال نوسان اتم را نیز مجبور به نوسان می‌سازد و بعد از رسیدن به یک دامنه خاص که توسط تشدید نوسان اتم به آن می‌رسیم، اتم یک کورپوسل زیر اتمی از خود گسیل می‌دارد و میزان آن جریان را تامسون اندازه می‌گرفت. مقدار این جریان با رنگ و شدت تابش متغیر بود. در شدت تابش بالاتر یا فرکانس‌های بالا جریان هم بیشتر می‌شد.

نیروی موجی[ویرایش]

یک موتور فوتو الکترونیک US685957 که اشعه روی یک رسانای عایق‌دار تابیده می‌شود که به یک خازن متصل است. خازن شارژ الکتریکی می‌کند

نیکولا تسلا پدیدهٔ فوتوالکتریک را در سال ۱۹۰۱ توصیف کرد. او این پرتوها را به عنوان نوسان اتر با طول موجی کوچک که اتمسفر را یونیزه می‌کرد در نظر گرفت. در پنجم نوامبر ۱۹۰۱ او گواهینامه ثبت اختراعی را از اداره ثبت اختراعات آمریکا (US Patent) دریافت کرد که شارژ و دشارژ یک رسانای فلزی را با این پرتوها توسط نیروی موجی توصیف می‌کرد. تسلا از این پدیده برای شارژ الکتریکی یک خازن توسط یک رسانا استفاده کرد. این وسیله به یک موتور پله‌ای که توسط جریان متناوب فوتوالکتریک کار می‌کند و توسط تسلا به ثبت رسیده را نشان می‌دهد.
در حقیقت یک صفحهٔ فلزی صیقلی که تحت تابش انرژی موجی قرار دارد (مانند نور خورشید) دارای بار مثبتی خواهد شد اگر الکترون گسیل کرده باشد. وقتی صفحه دارای بار مثبت می‌شود، خازن نیز تحت تأثیر میدان الکتریکی ایم بار مثبت دارای بار منفی می‌گردد و بنابراین جریانی در دو سر خازن به وجود می‌آید.

مشاهدات ون لنارد[ویرایش]

در ۱۹۰۲، فیلییپ آنتوان ون لنارد، مشاهده کرد که انرژی الکترون را می‌توان با تغییر فرکانس نور ورودی تغییر داد. او از یک لامپ قدرتمند قوسی استفاده کرد، چیزی که او را قادر می‌کرد تا تغییرات شدید در شدت تابش را مورد بررسی قرار دهد و به اندازهٔ کافی نیرو داشت تا بتواند روی تغییرات پتاسیل و در نتیجه تغییرات فرکانس نور را مورد بررسی قرار دهد. آزمایش او به‌طور مستقیم پتانسیل الکتریکی را اندازه می‌گرفت و نه انرژی جنبشی الکترون را. او رابطهٔ انرژی الکترون را با ماکزیمم ولتاژ قطع به دست آورد. او همچنین فهمید که ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون با فرکانس نور مرتبط است. برای مثال افزایش فرکانس پرتوی ورودی، افزایش ماکزیمم انرژی جنبشی محاسبه شده برای الکترون تحت عمل آزادسازی را نتیجه می‌دهد-پرتوی فرابنفش به پتانسیل قطع بیشتری نیاز دارد تا جریان را در مدار از کار بیندازد تا نور آبی. اما نتیجهٔ مشاهدات ون لنارد به خاطر سختی انجام آزمایش کیفی بود نه کمی زیرا آزمایش باید روی یک صفحه فلزی بسیار صیقلی انجام می‌شد تا اینکه نتایج قدری دقیق تر گردند، اما آن در چند دقیقه اکسید می‌شد حتی در خلاء جزئی که او ایجاد کرده بود. جریانی که توسط الکترون گسیل شده از سطح به دست می‌آمد نیز به شدت نور مربوط می‌شد. با دو برابر شدت تابش دو برابر الکترون گسیل می‌شد اما ون لنارد چیزی از فوتون نمی‌دانست.

اینشتین: نور کوانتومی[ویرایش]

توصیفات ریاضی البرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ میلادی، از اینکه چگونه اثر فوتوالکتریک به‌وسیلهٔ جذب کوانتوم نور (چیزی که بعدها فوتون نام گرفت) پدید می‌آید، در مقاله‌ای با عنوان «دیدگاه ابتکاری در باب تولید و تبدیل نور» ارائه شد. این مقاله توصیف ساده‌ای را از کوانتوم نور یا همان فوتون بیان می‌کرد و نشان داد که چگونه این پدیده را به عنوان اثر فوتوالکتریک توصیف کنیم. توصیف سادهٔ او بر این حساب که جذب یک کوانتوم منفرد از نور بود، توانست خصوصیات این پدیده و فرکانس آستانه را توجیه کند. تفسیر انیشتین از پدیدهٔ فوتوالکتریک برای او جایزهٔ نوبل را در سال ۱۹۲۱ به ارمغان آورد.

ایدهٔ کوانتومی بودن نور با قوانین منتشر شدهٔ ماکس پلانک از تابش جسم سیاه آغاز شد («در باب قانون توزیع انرژی در یک طیف عادی» ،annalen der physik ۴(۱۹۰۱)) که با درست فرض کردن اینکه نوسان‌های هرتز فقط می‌توانستند در انرژی E که با فرکانس f مرتبط است موجود باشند، توسط فرمولE = hf. با درست فرض کردن اینکه نور حقیقتاً از بسته‌های جدای انرژی تشکیل شده، انیشتین معادلات پدیدهٔ فوتوالکتریک را نوشت که با آزمایش‌ها مطابق بودند (معادلات توضیح می‌دادند که چرا انرژی یک الکترون فقط به فرکانس پرتوی ورودی مرتبط بود و نه به شدت تابش، یک منبع فرکانس پایین هیچ فوتونی با انرژی کافی از خود گسیل نمی‌کرد تا یک الکترون را از جای بکند). این یک گام نظری بزرگ بود و حقیقت کوانتومی نور بسیار مستحکم بوده و هست. ایدهٔ کوانتومی بودن نور با تئوری موجی نور که نظریه‌های ماکسول را دنبال می‌کرد در تضاد بود. نظریه‌های ماکسول که فرض بخش پذیری (قابلیت تقسیم شدن) بینهایت انرژی در یک سیستم فیزیکی را اثبات می‌کرد. حتی بعد از آزمایش‌های که نشان داد معادلات انیشتین برای پدیدهٔ فوتوالکتریک صحیح بودند، استحکام نظریهٔ کوانتومی بودن نور افزایش یافت، و این از وقتی بود که معادلات انیشتین معادلات ماکسول را نقض کرد، معادلاتی در آن هنگام دیگر به‌طور کامل درست فرض شده بود .
کارهای انیشتین پیش‌بینی کرد که انرژی یک الکترون جداشدهٔ منفرد با فرکانس پرتوی ورودی یک رابطهٔ خطی دارد، یعنی با افزایش یکی دیگری هم افزایش می‌یابد، شاید به‌طور شگفت‌آوری که تا آن هنگام هنوز تجربه نشده بود. در سال ۱۹۰۵ تمامی این مفاهیم درک شد اما نه از طریق آزمایش. تا اینکه در سال ۱۹۱۵ رابرت اندروو میلیکان نشان داد که انیشتین درست می‌گفت.

الکترون در سؤال ذره‌ای یا موجی؟[ویرایش]

اثر فوتوالکتریک به پیش برد مفهوم طبیعت دوگانه نور، که نور امواج و ذرات را در شرایط متفاوت نشان می‌دهد، کمک بسزایی کرد. این پدیده از طریق توصیف کلاسیک نور به عنوان موج غیرقابل درک بود، زیرا که انرژی الکترون گسیل شده به شدت تابش بستگی نداشت. این تئوری کلاسیک پیش‌بینی کرده بود که الکترون می‌تواند در طول یک زمان مشخص انرژی دریافتی را انباشته کرده و بعد گسیل شود. برای اینطور تئوری‌های کلاسیک که در یک شرط پیش پرشده کار می‌کند لازم به سماجت روی خود ماده می‌باشد. ایدهٔ پیش پرشدگی در کتاب میلیکان (الکترون مثبت و منفی) و در کتاب کامپتون و آلیسون (پرتوی ایکس در تئوری و آزمایش) بحث شده‌است.

موارد استفاده فوتو دیودها و فوتو ترانزیستورها[ویرایش]

سلول‌های خورشیدی که برای تولید انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دیودهای حساس به نور، هرکدام به نوعی از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کنند، اما نه با الکترونی که از ماده جدا بشود. در نیم هادی‌ها، نور حتی با انرژی پایین، مانند انوار مرئی می‌توانند الکترون‌ها را از نوار ظرفیت جدا کرده و آن‌ها را به نوار رسانش با انرژی بالاتر انتقال دهند، جایی آن‌ها با تحت کنترل بودن می‌توانند در یک ولتاژ متناسب با گاف انرژی جریان الکتریکی نولید کنند.

سنسورهای تصویر[ویرایش]

دوربین‌های تلویزیونی در اوایل دورهٔ ظهور تلویزیون از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کردند. انواع دوربین‌ها از مواد هادی حساس به نور استفاده می‌کنند.

حساسه‌های سیلیکونی تصویر یا همان تراشه‌های CCD که به‌طور بسیار زیاد در دوربین‌های موبایل استفاده می‌شود بر پایه نوعی از اثر فوتوالکتریک طراحی شده که در آن فوتون، الکترون را از نوار ظرفیت خارج می‌کند که در داخل خود سیستم جای دارد و نه در خارج آن، یعنی هیچ الکترونی از سیستم خارج نمی‌گردد.

الکتروسکوپ برگه طلا[ویرایش]

الکتروسکوپ برگه طلا

این الکتروسکوپ برای تشخیص الکتریسیته ساکن طراحی شده، بار الکتریکی قرار داده شده روی کلاهک، روی میله و برگه پخش می‌شود، و چون هردو بارهای هم نام دارند، میله و برگه هر دو یکدیگر را می‌رانند؛ و این باعث دور شدن برگه از میله می‌شود. الکتروسکوپ یک وسیلهٔ مهم برای توجیه پدیدهٔ فوتوالکتریک می‌باشد. بیایید فرض کنیم که الکتروسکوپ با بار منفی بار دار شده‌است؛ و ما می‌توانیم بگوییم که یک به هم خوردگی تعادل بار روی میله موجود است (زیرا می‌دانیم که قبل از این میله خنثی بوده و جسم خنثی هم دارای تعادل بار مثبت و منفی می‌باشد و برای همین هم خنثی است). اما اگر ما نوری با فرکانس بالا روی کلاهک آن بتابانیم، بار منفی از بین می‌رود و برگه به سر جای خور بر می‌گردد و در کنار میله قرار می‌گیرد؛ و این بدان خاطر می‌باشد که فرکانس پرتو از فرکانس آستانهٔ کلاهک بالاتر است و فوتونی که روی سطح فلز فرود می‌آید به اندازهٔ کافی انرژی دارد تا الکترون را از سطح کلاهک جدا کند و بار منفی آن را کاهش دهد. این می‌تواند الکتروسکوپ باردار منفی را بی بار کرده و آن را با بار مثبت شارژ کند. اما اگر پرتوی ورودی فرکانسی پایین‌تر از فرکانس آستانهٔ کلاهک داشته باشد، الکتروسکوپ هیچگاه بار منفی خود را از دست نمی‌دهد و مهم نیست که چه مقدار از زمان نور به کلاهک بتابد.

فضاپیماها[ویرایش]

اثر فوتوالکتریک باعث بار دار شدن فضاپیمایی می‌شود که در فضا در معرض نور خورشید قرار دارد و این فضا پیما را با بار مثبت شارژ می‌کند؛ و این می‌تواند تا ده‌ها ولت انباشته شود؛ و می‌تواند یک مشکل بزرگ باشد زیرا که قسمت‌های دیگر فضاپیما که در سایه قرار دارد تا چند هزار ولت دارای پتانسیل الکتریکی می‌شود و همچنین دارای بار منفی است؛ و این برهم خوردگی توازن بار الکتریکی می‌تواند روی قطعات الکترونیکی فضا پیما تخلیه شود و آن‌ها را از کار بیندازد. بار الکتریکی مثبت ساکن تولیدی توسط پدیدهٔ فوتوالکتریک دارای یک محدودیت است، زیرا یک جسم با بار الکتریکی بسیار زیاد الکترون‌ها را سخت‌تر از دست می‌دهد.

غبار ماه[ویرایش]

نوری که از خورشید بر ماه می‌تابد، ذرات غبار سطح ماه را دارای بار الکتریکی می‌کند و ذرات غبار دارای بار حالا همدیگر را دفع می‌کنند و از سطح ماه بالا می‌روند؛ و این پدیده خود را همانند اتمسفری از غبار آشکار می‌سازد و به صورت لکه‌ای تاریک و یک تابش تاریک بعد از تابش نور خورشید به سطح ماه آشکار می‌شود و قابل دید است.
این پدیده اولین بار در خلال برنامهٔ نقشه‌برداری در دهه ۶۰ از سطح ماه عکس‌برداری شد. این گمان می‌رود که کوچکترین ذرهٔ غبار تا کیلومترها از سطح ماه بالا می‌رود و ان ذرات، زمانی که شارژ و دشارژ می‌شوند، روی آتشفشان‌ها حرکت می‌کنند.

ادوات دید در شب[ویرایش]

در یک دوربین دید در شب فوتون‌ها به یک صفحهٔ گالیوم آرسنید برخورد می‌کنند و بر اساس پدیدهٔ فوتوالکتریک الکترون‌ها را مجبور به جداشدن از سطح فلز می‌کنند؛ و این الکترون‌ها بعد از انبوه‌سازی، به صوری آبشاری روی یک صفحه از فسفر می‌ریزند و آن را روشن می‌کنند.

نظریه[ویرایش]

انیشتین در سال ۱۹۰۵ رابطهٔ زیر را پیشنهاد نمود که اکنون تأیید شده‌است:

که در آن

ثابت پلانک
بسامد موج
تابع کار فلز
انرژی جنبشی الکترون[۱]

به‌طور خلاصه می‌توان گفت که اگر نوری از امواج الکترومغناطیسی بر سطحی (بویژه) فلزات بتابد از جسم مقداری الکترون خارج خواهد شد که مقدار الکترون‌ها به شدت نور تابیده شده و انرژی الکترون‌ها به طول موج (انرژی فوتونها) بستگی دارد و اگر انرژی فوتون از حد آستانه پایین‌تر بیاید دیگر الکترونی بیرون نخواهد رفت بررسی این مسئله با فیزیک کلاسیک غیرممکن است و به کمترین فرکانسی که اثر فیک روی می‌دهد (الکترون از سطح فلز جدا شود) را فرکانس قطع می‌گویند.

ولتاژ قطع[ویرایش]

ولتازقطع ولتاژی است که اگر دو سر الکترودها اعمال شود دیگر پدیده فوتو الکتریک به وجود نمی‌آید. از نظر عددی ولتاژ قطع برابر است با بیشینه انرژی الکترون‌های گسیل شده (برحسب الکترون ولت) است. یعنی زمانی که انرژی الکترون‌های گسیل شده ۱۰الکترون ولت باشد ولتاژ قطع۱۰ولت است.

ولتاژ قطع زمانی باعث توقف پدیده فوتو الکتریک می‌شود که نور تابشی به الکترود مثبت برخورد کند.

نتایج آزمایش بر روی پدیدهٔ فوتوالکتریک[ویرایش]

  1. برای یک فلز و فرکانس پرتوی ورودی، آهنگ افزایش تعداد فوتوالکترون‌های گسیل شده رابطهٔ مستقیم با شدت تابش پرتوی ورودی دارد.
  2. برای یک فلز، یک فرکانس مینیمم مشخصی از پرتوی ورودی وجود دارد که پایین‌تر از آن هیچ فوتوالکترونی گسیل نمی‌شود، که ما آن را فرکانس آستانه (فرکانس قطع) می‌نامیم.
  3. در فرکانس‌های بالاتر از فرکانس آستانه، ماکزیمم انرژی جنبشی هر فوتوالکترون گسیل شده به شدت تابش پرتوی ورودی وابسته نیست و البته به فرکانس پرتو بستگی دارد.
  4. شدت نور تأثیری بر ولتاژ قطع ندارد. (ولتاژ قطع توسط بسامد نور مشخص می‌شود)
  5. فرکانس نور تأثیری بر بیشینه شرت جریان ندارد. (شدت نور تعیین‌کننده بیشینه شدت جریان است)
  6. زمان تأخیر بین تابش پرتوی ورودی و گسیل فوتوالکترون خیلی کوچک است، کمتر از ۱۰^-۹ ثانیه.

جستارهای وابسته[ویرایش]

پانویس[ویرایش]

  1. Nouredin Zetili (۲۰۰۵)، «Origins of Quantum Physics:Concepts and Applications»، Quantum Mechanics، Wiley، ص. ۱۱، شابک ۰-۴۷۱-۴۸۹۴۴-۱

منابع[ویرایش]

The photoelectric effect is the emission of electrons or other free carriers when light hits a material. Electrons emitted in this manner can be called photoelectrons. This phenomenon is commonly studied in electronic physics and in fields of chemistry such as quantum chemistry and electrochemistry.

According to classical electromagnetic theory, the photoelectric effect can be attributed to the transfer of energy from the light to an electron. From this perspective, an alteration in the intensity of light induces changes in the kinetic energy of the electrons emitted from the metal. According to this theory, a sufficiently dim light is expected to show a time lag between the initial shining of its light and the subsequent emission of an electron.

But the experimental results did not correlate with either of the two predictions made by classical theory. Instead, experiments showed that electrons are dislodged only by the impingement of light when it reached or exceeded a threshold frequency. Below that threshold, no electrons are emitted from the material, regardless of the light intensity or the length of time of exposure to the light.

Because a low-frequency beam at a high intensity could not build up the energy required to produce photoelectrons like it would have if light's energy were continuous like a wave, Einstein proposed that a beam of light is not a wave propagating through space, but rather a collection of discrete wave packets (photons).

Emission of conduction electrons from typical metals usually requires a few electron-volts, corresponding to short-wavelength visible or ultraviolet light. Emissions can be induced with photons with energies approaching zero (in the case of negative electron affinity) to over 1 MeV for core electrons in elements with a high atomic number. Study of the photoelectric effect led to important steps in understanding the quantum nature of light and electrons and influenced the formation of the concept of wave–particle duality.[1] Other phenomena where light affects the movement of electric charges include the photoconductive effect (also known as photoconductivity or photoresistivity), the photovoltaic effect, and the photoelectrochemical effect.

Schematic of experimental apparatus to demonstrate the photoelectric effect. The filter passes light of certain wavelengths from the lamp at left. The light strikes the curved electrode, and electrons are emitted. The adjustable voltage can be increased until the current stops flowing. This "stopping voltage" is a function only of the electrode material and the frequency of the incident light, and is not affected by the intensity of the light.

Emission mechanism

The photons of a light beam have a characteristic energy which is proportional to the frequency of the light. In the photoemission process, if an electron within some material absorbs the energy of one photon and acquires more energy than the work function (the electron binding energy) of the material, it is ejected. If the photon energy is too low, the electron is unable to escape the material. Since an increase in the intensity of low-frequency light will only increase the number of low-energy photons sent over a given interval of time, this change in intensity will not create any single photon with enough energy to dislodge an electron. Thus, the energy of the emitted electrons does not depend on the intensity of the incoming light, but only on the energy (equivalent frequency) of the individual photons. It is an interaction between the incident photon and the innermost electrons. The movement of an outer electron to occupy the vacancy then result in the emission of a photon.

Electrons can absorb energy from photons when irradiated, but they usually follow an "all or nothing" principle. All of the energy from one photon must be absorbed and used to liberate one electron from atomic binding, or else the energy is re-emitted. If the photon energy is absorbed, some of the energy liberates the electron from the atom, and the rest contributes to the electron's kinetic energy as a free particle.[2][3][4]

Photoemission can occur from any material, but it is most easily observable from metals or other conductors because the process produces a charge imbalance, and if this charge imbalance is not neutralized by current flow (enabled by conductivity), the potential barrier to emission increases until the emission current ceases. It is also usual to have the emitting surface in a vacuum, since gases impede the flow of photoelectrons and make them difficult to observe. Additionally, the energy barrier to photoemission is usually increased by thin oxide layers on metal surfaces if the metal has been exposed to oxygen, so most practical experiments and devices based on the photoelectric effect use clean metal surfaces in a vacuum.

When the photoelectron is emitted into a solid rather than into a vacuum, the term internal photoemission is often used, and emission into a vacuum distinguished as external photoemission.

Experimental observations of photoelectric emission

The theory of the source of photoelectric effect must explain the experimental observations of the emission of electrons from an illuminated metal surface.

For a given metal surface, there exists a certain minimum frequency of incident radiation below which no photoelectrons are emitted. This frequency is called the threshold frequency. Increasing the frequency of the incident beam, keeping the number of incident photons fixed (this would result in a proportionate increase in energy) increases the maximum kinetic energy of the photoelectrons emitted. Thus the stopping voltage increases (see the experimental setup in the figure). The number of electrons also changes because of the probability that each photon results in an emitted electron are a function of photon energy. If the intensity of the incident radiation of a given frequency is increased, there is no effect on the kinetic energy of each photoelectron.

Above the threshold frequency, the maximum kinetic energy of the emitted photoelectron depends on the frequency of the incident light, but is independent of the intensity of the incident light so long as the latter is not too high.[5]

For a given metal and frequency of incident radiation, the rate at which photoelectrons are ejected is directly proportional to the intensity of the incident light. An increase in the intensity of the incident beam (keeping the frequency fixed) increases the magnitude of the photoelectric current, although the stopping voltage remains the same.

The time lag between the incidence of radiation and the emission of a photoelectron is very small, less than 10−9 second.

The direction of distribution of emitted electrons peaks in the direction of polarization (the direction of the electric field) of the incident light, if it is linearly polarized.[6]

Mathematical description

In 1905, Einstein proposed an explanation of the photoelectric effect using a concept first put forward by Max Planck that light waves consist of tiny bundles or packets of energy known as photons or quanta.

Diagram of the maximum kinetic energy as a function of the frequency of light on zinc

The maximum kinetic energy of an ejected electron is given by

where is the Planck constant and is the frequency of the incident photon. The term is the work function (sometimes denoted , or [7]), which gives the minimum energy required to remove an electron from the surface of the metal. The work function satisfies

where is the threshold frequency for the metal. The maximum kinetic energy of an ejected electron is then

Kinetic energy is positive, so we must have for the photoelectric effect to occur.[8]

Stopping potential

The relation between current and applied voltage illustrates the nature of the photoelectric effect. For discussion, a light source illuminates a plate P, and another plate electrode Q collects any emitted electrons. We vary the potential between P and Q and measure the current flowing in the external circuit between the two plates.

If the frequency and the intensity of the incident radiation are fixed, the photoelectric current increases gradually with an increase in the positive potential on the collector electrode until all the photoelectrons emitted are collected. The photoelectric current attains a saturation value and does not increase further for any increase in the positive potential. The saturation current increases with the increase of the light intensity. It also increases with greater frequencies due to a greater probability of electron emission when collisions happen with higher energy photons.

If we apply a negative potential to the collector plate Q with respect to the plate P and gradually increase it, the photoelectric current decreases, becoming zero at a certain negative potential. The negative potential on the collector at which the photoelectric current becomes zero is called the stopping potential or cut off potential[9]

i. For a given frequency of incident radiation, the stopping potential is independent of its intensity.

ii. For a given frequency of incident radiation, the stopping potential is determined by the maximum kinetic energy of the photoelectrons that are emitted. If qe is the charge on the electron and is the stopping potential, then the work done by the retarding potential in stopping the electron is , so we have

Recalling

we see that the stopping voltage varies linearly with frequency of light, but depends on the type of material. For any particular material, there is a threshold frequency that must be exceeded, independent of light intensity, to observe any electron emission.

Three-step model

In the X-ray regime, the photoelectric effect in crystalline material is often decomposed into three steps:[10]:50–51

  1. Inner photoelectric effect (see photo diode below[clarification needed]). The hole left behind can give rise to the Auger effect, which is visible even when the electron does not leave the material. In molecular solids phonons are excited in this step and may be visible as lines in the final electron energy. The inner photoeffect has to be dipole allowed.[clarification needed] The transition rules for atoms translate via the tight-binding model onto the crystal.[clarification needed] They are similar in geometry to plasma oscillations in that they have to be transversed.
  2. Ballistic transport[clarification needed] of half of the electrons to the surface. Some electrons are scattered.
  3. Electrons escape from the material at the surface.

In the three-step model, an electron can take multiple paths through these three steps. All paths can interfere in the sense of the path integral formulation. For surface states and molecules the three-step model does still make some sense as even most atoms have multiple electrons which can scatter the one electron leaving.[citation needed]

History

When a surface is exposed to electromagnetic radiation above a certain threshold frequency (typically visible light for alkali metals, near ultraviolet for other metals, and extreme ultraviolet for non-metals), the radiation is absorbed and electrons are emitted. Light, and especially ultra-violet light, discharges negatively electrified bodies with the production of rays of the same nature as cathode rays.[11] Under certain circumstances it can directly ionize gases.[11] The first of these phenomena was discovered by Heinrich Hertz and Wilhelm Hallwachs in 1887.[11] The second was announced first by Philipp Lenard in 1900.[11]

The ultra-violet light to produce these effects may be obtained from an arc lamp, or by burning magnesium, or by sparking with an induction coil between zinc or cadmium terminals, the light from which is very rich in ultra-violet rays. Sunlight is not rich in ultra-violet rays, as these have been absorbed by the atmosphere, and it does not produce nearly so large an effect as the arc-light. Many substances besides metals discharge negative electricity under the action of ultraviolet light: lists of these substances will be found in papers by G. C. Schmidt[12] and O. Knoblauch.[13]

19th century

In 1839, Alexandre Edmond Becquerel discovered the photovoltaic effect while studying the effect of light on electrolytic cells.[14] Though not equivalent to the photoelectric effect, his work on photovoltaics was instrumental in showing a strong relationship between light and electronic properties of materials. In 1873, Willoughby Smith discovered photoconductivity in selenium while testing the metal for its high resistance properties in conjunction with his work involving submarine telegraph cables.[15]

Johann Elster (1854–1920) and Hans Geitel (1855–1923), students in Heidelberg, developed the first practical photoelectric cells that could be used to measure the intensity of light.[16][17]:458 Elster and Geitel had investigated with great success the effects produced by light on electrified bodies.[18]

In 1887, Heinrich Hertz observed the photoelectric effect and the production and reception of electromagnetic waves.[11] He published these observations in the journal Annalen der Physik. His receiver consisted of a coil with a spark gap, where a spark would be seen upon detection of electromagnetic waves. He placed the apparatus in a darkened box to see the spark better. However, he noticed that the maximum spark length was reduced when inside the box. A glass panel placed between the source of electromagnetic waves and the receiver absorbed ultraviolet radiation that assisted the electrons in jumping across the gap. When removed, the spark length would increase. He observed no decrease in spark length when he replaced the glass with quartz, as quartz does not absorb UV radiation. Hertz concluded his months of investigation and reported the results obtained. He did not further pursue the investigation of this effect.

The discovery by Hertz [19] in 1887 that the incidence of ultra-violet light on a spark gap facilitated the passage of the spark, led immediately to a series of investigations by Hallwachs,[20] Hoor,[21] Righi[22] and Stoletow[23][24][25][26][27][28][29] on the effect of light, and especially of ultra-violet light, on charged bodies. It was proved by these investigations that a newly cleaned surface of zinc, if charged with negative electricity, rapidly loses this charge however small it may be when ultra-violet light falls upon the surface; while if the surface is uncharged to begin with, it acquires a positive charge when exposed to the light, the negative electrification going out into the gas by which the metal is surrounded; this positive electrification can be much increased by directing a strong airblast against the surface. If however the zinc surface is positively electrified it suffers no loss of charge when exposed to the light: this result has been questioned, but a very careful examination of the phenomenon by Elster and Geitel[30] has shown that the loss observed under certain circumstances is due to the discharge by the light reflected from the zinc surface of negative electrification on neighbouring conductors induced by the positive charge, the negative electricity under the influence of the electric field moving up to the positively electrified surface.[31]

With regard to the Hertz effect, the researchers from the start showed a great complexity of the phenomenon of photoelectric fatigue — that is, the progressive diminution of the effect observed upon fresh metallic surfaces. According to an important research by Wilhelm Hallwachs, ozone played an important part in the phenomenon.[32] However, other elements enter such as oxidation, the humidity, the mode of polish of the surface, etc. It was at the time not even sure that the fatigue is absent in a vacuum.

In the period from February 1888 and until 1891, a detailed analysis of photo effect was performed by Aleksandr Stoletov with results published in 6 works;[33][34][35][36][37][38] four of them in Comptes Rendus, one review in Physikalische Revue (translated from Russian), and the last work in Journal de Physique. First, in these works Stoletov invented a new experimental setup which was more suitable for a quantitative analysis of photo effect. Using this setup, he discovered the direct proportionality between the intensity of light and the induced photo electric current (the first law of photo effect or Stoletov's law). One of his other findings resulted from measurements of the dependence of the intensity of the electric photo current on the gas pressure, where he found the existence of an optimal gas pressure Pm corresponding to a maximum photocurrent; this property was used for a creation of solar cells.[citation needed]

In 1899, J. J. Thomson investigated ultraviolet light in Crookes tubes.[39] Thomson deduced that the ejected particles were the same as those previously found in the cathode ray, later called electrons, which he called "corpuscles". In the research, Thomson enclosed a metal plate (a cathode) in a vacuum tube, and exposed it to high-frequency radiation.[40] It was thought that the oscillating electromagnetic fields caused the atoms' field to resonate and, after reaching a certain amplitude, caused a subatomic "corpuscle" to be emitted, and current to be detected. The amount of this current varied with the intensity and color of the radiation. Larger radiation intensity or frequency would produce more current.[citation needed]

During the years 1886-1902, Wilhelm Hallwachs and Philipp Lenard investigated the phenomenon of photoelectric emission in detail. Hallwachs connected a zinc plate to an electroscope. He allowed ultraviolet light to fall on the zinc plate and observed that the zinc plate became uncharged if initially negatively charged, positively charged if initially uncharged, and more positively charged if initially positively charged. From these observations he concluded that some negatively charged particles were emitted by the zinc plate when exposed to ultraviolet light. A few years later, Lenard observed that when ultraviolet radiation is allowed to fall on the emitter plate of an evacuated glass tube enclosing two electrodes, a current flows in the circuit. As soon as ultraviolet radiation is stopped, the current also stops. This initiated the concept of photoelectric emission.

In 1900, while studying black-body radiation, the German physicist Max Planck suggested that the energy carried by electromagnetic waves could only be released in "packets" of energy. In 1905, Albert Einstein published a paper advancing the hypothesis that light energy is carried in discrete quantized packets to explain experimental data from the photoelectric effect. This was a key step in the development of quantum mechanics. In 1914, Millikan's experiment supported Einstein's model of the photoelectric effect. Einstein was awarded the Nobel Prize in 1921 for "his discovery of the law of the photoelectric effect",[41] and Robert Millikan was awarded the Nobel Prize in 1923 for "his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect".[42]


20th century

The discovery of the ionization of gases by ultra-violet light was made by Philipp Lenard in 1900. As the effect was produced across several centimeters of air and yielded a greater number of positive ions than negative, it was natural to interpret the phenomenon, as did J. J. Thomson, as a Hertz effect upon the solid or liquid particles present in the gas.[11]

In 1902, Lenard observed that the energy of individual emitted electrons increased with the frequency (which is related to the color) of the light.[2]

This appeared to be at odds with Maxwell's wave theory of light, which predicted that the electron energy would be proportional to the intensity of the radiation.

Lenard observed the variation in electron energy with light frequency using a powerful electric arc lamp which enabled him to investigate large changes in intensity, and that had sufficient power to enable him to investigate the variation of potential with light frequency. His experiment directly measured potentials, not electron kinetic energy: he found the electron energy by relating it to the maximum stopping potential (voltage) in a phototube. He found that the calculated maximum electron kinetic energy is determined by the frequency of the light. For example, an increase in frequency results in an increase in the maximum kinetic energy calculated for an electron upon liberation – ultraviolet radiation would require a higher applied stopping potential to stop current in a phototube than blue light. However, Lenard's results were qualitative rather than quantitative because of the difficulty in performing the experiments: the experiments needed to be done on freshly cut metal so that the pure metal was observed, but it oxidized in a matter of minutes even in the partial vacuums he used. The current emitted by the surface was determined by the light's intensity, or brightness: doubling the intensity of the light doubled the number of electrons emitted from the surface.

The researches of Langevin and those of Eugene Bloch[43] have shown that the greater part of the Lenard effect is certainly due to this 'Hertz effect'. The Lenard effect upon the gas[clarification needed] itself nevertheless does exist. Refound by J. J. Thomson[44] and then more decisively by Frederic Palmer, Jr.,[45][46] it was studied and showed very different characteristics than those at first attributed to it by Lenard.[11]

In 1905, Albert Einstein solved this apparent paradox by describing light as composed of discrete quanta, now called photons, rather than continuous waves. Based upon Max Planck's theory of black-body radiation, Einstein theorized that the energy in each quantum of light was equal to the frequency multiplied by a constant, later called Planck's constant. A photon above a threshold frequency has the required energy to eject a single electron, creating the observed effect. This discovery led to the quantum revolution in physics and earned Einstein the Nobel Prize in Physics in 1921.[47] By wave-particle duality the effect can be analyzed purely in terms of waves though not as conveniently.[48]

Albert Einstein's mathematical description of how the photoelectric effect was caused by absorption of quanta of light was in one of his 1905 papers, named "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light". This paper proposed the simple description of "light quanta", or photons, and showed how they explained such phenomena as the photoelectric effect. His simple explanation in terms of absorption of discrete quanta of light explained the features of the phenomenon and the characteristic frequency.

The idea of light quanta began with Max Planck's published law of black-body radiation ("On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum"[49]) by assuming that Hertzian oscillators could only exist at energies E proportional to the frequency f of the oscillator by E = hf, where h is Planck's constant. By assuming that light actually consisted of discrete energy packets, Einstein wrote an equation for the photoelectric effect that agreed with experimental results. It explained why the energy of photoelectrons was dependent only on the frequency of the incident light and not on its intensity: at low-intensity, the high-frequency source could supply a few high energy photons, whereas a high-intensity, the low-frequency source would supply no photons of sufficient individual energy to dislodge any electrons. This was an enormous theoretical leap, but the concept was strongly resisted at first because it contradicted the wave theory of light that followed naturally from James Clerk Maxwell's equations for electromagnetic behavior, and more generally, the assumption of infinite divisibility of energy in physical systems. Even after experiments showed that Einstein's equations for the photoelectric effect were accurate, resistance to the idea of photons continued since it appeared to contradict Maxwell's equations, which were well understood and verified.

Einstein's work predicted that the energy of individual ejected electrons increases linearly with the frequency of the light. Perhaps surprisingly, the precise relationship had not at that time been tested. By 1905 it was known that the energy of photoelectrons increases with increasing frequency of incident light and is independent of the intensity of the light. However, the manner of the increase was not experimentally determined until 1914 when Robert Andrews Millikan showed that Einstein's prediction was correct.[3]

The photoelectric effect helped to propel the then-emerging concept of wave–particle duality in the nature of light. Light simultaneously possesses the characteristics of both waves and particles, each being manifested according to the circumstances. The effect was impossible to understand in terms of the classical wave description of light,[50][51][52] as the energy of the emitted electrons did not depend on the intensity of the incident radiation. Classical theory predicted that the electrons would 'gather up' energy over a period of time, and then be emitted.[51][53]

Uses and effects

Photomultipliers

These are extremely light-sensitive vacuum tubes with a photocathode coated onto part (an end or side) of the inside of the envelope. The photo cathode contains combinations of materials such as cesium, rubidium, and antimony specially selected to provide a low work function, so when illuminated even by very low levels of light, the photocathode readily releases electrons. By means of a series of electrodes (dynodes) at ever-higher potentials, these electrons are accelerated and substantially increased in number through secondary emission to provide a readily detectable output current. Photomultipliers are still commonly used wherever low levels of light must be detected.[54]

Image sensors

Video camera tubes in the early days of television used the photoelectric effect, for example, Philo Farnsworth's "Image dissector" used a screen charged by the photoelectric effect to transform an optical image into a scanned electronic signal.[55]

Gold-leaf electroscope

The gold leaf electroscope

Gold-leaf electroscopes are designed to detect static electricity. Charge placed on the metal cap spreads to the stem and the gold leaf of the electroscope. Because they then have the same charge, the stem and leaf repel each other. This will cause the leaf to bend away from the stem.

An electroscope is an important tool in illustrating the photoelectric effect. For example, if the electroscope is negatively charged throughout, there is an excess of electrons and the leaf is separated from the stem. If high-frequency light shines on the cap, the electroscope discharges, and the leaf will fall limp. This is because the frequency of the light shining on the cap is above the cap's threshold frequency. The photons in the light have enough energy to liberate electrons from the cap, reducing its negative charge. This will discharge a negatively charged electroscope and further charge a positive electroscope. However, if the electromagnetic radiation hitting the metal cap does not have a high enough frequency (its frequency is below the threshold value for the cap), then the leaf will never discharge, no matter how long one shines the low-frequency light at the cap.[56]:389–390

Photoelectron spectroscopy

Since the energy of the photoelectrons emitted is exactly the energy of the incident photon minus the material's work function or binding energy, the work function of a sample can be determined by bombarding it with a monochromatic X-ray source or UV source, and measuring the kinetic energy distribution of the electrons emitted.[10]:14–20

Photoelectron spectroscopy is usually done in a high-vacuum environment, since the electrons would be scattered by gas molecules if they were present. However, some companies are now selling products that allow photoemission in air. The light source can be a laser, a discharge tube, or a synchrotron radiation source.[57]

The concentric hemispherical analyzer is a typical electron energy analyzer and uses an electric field to change the directions of incident electrons, depending on their kinetic energies. For every element and core (atomic orbital) there will be a different binding energy. The many electrons created from each of these combinations will show up as spikes in the analyzer output, and these can be used to determine the elemental composition of the sample.

Spacecraft

The photoelectric effect will cause spacecraft exposed to sunlight to develop a positive charge. This can be a major problem, as other parts of the spacecraft are in shadow which will result in the spacecraft developing a negative charge from nearby plasmas. The imbalance can discharge through delicate electrical components. The static charge created by the photoelectric effect is self-limiting, because a higher charged object doesn't give up its electrons as easily as a lower charged object does.[58][59]

Moon dust

Light from the sun hitting lunar dust causes it to become positively charged from the photoelectric effect. The charged dust then repels itself and lifts off the surface of the Moon by electrostatic levitation.[60][61] This manifests itself almost like an "atmosphere of dust", visible as a thin haze and blurring of distant features, and visible as a dim glow after the sun has set. This was first photographed by the Surveyor program probes in the 1960s. It is thought that the smallest particles are repelled kilometers from the surface and that the particles move in "fountains" as they charge and discharge.

Night vision devices

Photons hitting a thin film of alkali metal or semiconductor material such as gallium arsenide in an image intensifier tube cause the ejection of photoelectrons due to the photoelectric effect. These are accelerated by an electrostatic field where they strike a phosphor coated screen, converting the electrons back into photons. Intensification of the signal is achieved either through acceleration of the electrons or by increasing the number of electrons through secondary emissions, such as with a micro-channel plate. Sometimes a combination of both methods is used. Additional kinetic energy is required to move an electron out of the conduction band and into the vacuum level. This is known as the electron affinity of the photocathode and is another barrier to photoemission other than the forbidden band, explained by the band gap model. Some materials such as Gallium Arsenide have an effective electron affinity that is below the level of the conduction band. In these materials, electrons that move to the conduction band are all of the sufficient energy to be emitted from the material and as such, the film that absorbs photons can be quite thick. These materials are known as negative electron affinity materials.

Cross section

The photoelectric effect is an interaction mechanism between photons and atoms.[62]

At the high photon energies comparable to the electron rest energy of 511 keV, Compton scattering, another process, may take place. Above twice this (1.022 MeV) pair production may take place.[63] Compton scattering and pair production are examples of two other competing mechanisms.

Indeed, even if the photoelectric effect is the favoured reaction for a particular single-photon bound-electron interaction, the result is also subject to statistical processes and is not guaranteed, even if the photon has certainly disappeared and a bound electron has been excited (usually K or L shell electrons at gamma ray energies). The probability of the photoelectric effect occurring is measured by the cross-section of interaction, σ. This has been found to be a function of the atomic number of the target atom and photon energy. A crude approximation, for photon energies above the highest atomic binding energy, which is given by:[64]

Here Z is atomic number and n is a number which varies between 4 and 5. (At lower photon energies a characteristic structure with edges appears, K edge, L edges, M edges, etc.) The obvious interpretation follows that the photoelectric effect rapidly decreases in significance, in the gamma-ray region of the spectrum, with increasing photon energy, and that photoelectric effect increases steeply with atomic number. The corollary is that high-Z materials make good gamma-ray shields, which is the principal reason that lead (Z = 82) is a preferred and ubiquitous gamma radiation shield.[65]

See also

References

  1. ^ Serway, R. A. (1990). Physics for Scientists & Engineers (3rd ed.). Saunders. p. 1150. ISBN 0-03-030258-7.
  2. ^ a b Lenard, P. (1902). "Ueber die lichtelektrische Wirkung". Annalen der Physik. 313 (5): 149–198. Bibcode:1902AnP...313..149L. doi:10.1002/andp.19023130510.
  3. ^ a b Millikan, R. (1914). "A Direct Determination of "h."". Physical Review. 4 (1): 73–75. Bibcode:1914PhRv....4R..73M. doi:10.1103/PhysRev.4.73.2.
  4. ^ Millikan, R. (1916). "A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"" (PDF). Physical Review. 7 (3): 355–388. Bibcode:1916PhRv....7..355M. doi:10.1103/PhysRev.7.355.
  5. ^ Zhang, Q. (1996). "Intensity dependence of the photoelectric effect induced by a circularly polarized laser beam". Physics Letters A. 216 (1–5): 125. Bibcode:1996PhLA..216..125Z. doi:10.1016/0375-9601(96)00259-9.
  6. ^ Bubb, F. (1924). "Direction of Ejection of Photo-Electrons by Polarized X-rays". Physical Review. 23 (2): 137–143. Bibcode:1924PhRv...23..137B. doi:10.1103/PhysRev.23.137.
  7. ^ Mee, C.; Crundell, M.; Arnold, B.; Brown, W. (2011). International A/AS Level Physics. Hodder Education. p. 241. ISBN 978-0-340-94564-3.
  8. ^ Fromhold, A. T. (1991). Quantum Mechanics for Applied Physics and Engineering. Courier Dover Publications. pp. 5–6. ISBN 978-0-486-66741-6.
  9. ^ Gautreau, R.; Savin, W. (1999). Schaum's Outline of Modern Physics (2nd ed.). McGraw-Hill. pp. 60–61. ISBN 0-07-024830-3.
  10. ^ a b Hüfner, S. (2003). Photoelectron Spectroscopy: Principles and Applications. Springer. ISBN 3-540-41802-4.
  11. ^ a b c d e f g Report of the Board of Regents By Smithsonian Institution. Board of Regents, United States National Museum, Smithsonian Institution. p. 239.
  12. ^ Schmidt, G. C. (1898) Wied. Ann. Uiv. p. 708.
  13. ^ Knoblauch, O. (1899). Zeitschrift für Physikalische Chemie. xxix. p. 527.
  14. ^ Vesselinka Petrova-Koch; Rudolf Hezel; Adolf Goetzberger (2009). High-Efficient Low-Cost Photovoltaics: Recent Developments. Springer. pp. 1–. ISBN 978-3-540-79358-8.
  15. ^ Smith, W. (1873). "Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current". Nature. 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0.
  16. ^ Asimov, A. (1964) Asimov's Biographical Encyclopedia of Science and Technology, Doubleday, ISBN 0-385-04693-6.
  17. ^ Robert Bud; Deborah Jean Warner (1998). Instruments of Science: An Historical Encyclopedia. Science Museum, London, and National Museum of American History, Smithsonian Institution. ISBN 978-0-8153-1561-2.
  18. ^ Elster and Geitel arrange the metals in the following order with respect to their power of discharging negative electricity: rubidium, potassium, alloy of potassium and sodium, sodium, lithium, magnesium, thallium and zinc. For copper, platinum, lead, iron, cadmium, carbon, and mercury the effects with ordinary light are too small to be measurable. The order of the metals for this effect is the same as in Volta's series for contact-electricity, the most electropositive metals giving the largest photo-electric effect.
  19. ^ Hertz, Heinrich (1887). "Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung". Annalen der Physik. 267: 983–1000. doi:10.1002/andp.18872670827.
  20. ^ Hallwachs, Wied. Ann. xxxiii. p. 301, 1888.
  21. ^ Hoor, Repertorium des Physik, xxv. p. 91, 1889.
  22. ^ Bighi, C. R. cvi. p. 1349; cvii. p. 559, 1888
  23. ^ Stoletow. C. R. cvi. pp. 1149, 1593; cvii. p. 91; cviii. p. 1241; Physikalische Revue, Bd. i., 1892.
  24. ^ Stoletow, A. (1888). "Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets". Comptes Rendus. CVI: 1149. (Reprinted in Stoletow, M.A. (1888). "On a kind of electric current produced by ultra-violet rays". Philosophical Magazine. Series 5. 26 (160): 317. doi:10.1080/14786448808628270.; abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  25. ^ Stoletow, A. (1888). "Sur les courants actino-electriqies au travers deTair". Comptes Rendus. CVI: 1593. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  26. ^ Stoletow, A. (1888). "Suite des recherches actino-electriques". Comptes Rendus. CVII: 91. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  27. ^ Stoletow, A. (1889). "Sur les phénomènes actino-électriques". Comptes Rendus. CVIII: 1241.
  28. ^ Stoletow, A. (1889). "Актино-электрические исследовaния". Journal of the Russian Physico-chemical Society (in Russian). 21: 159.
  29. ^ Stoletow, A. (1890). "Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié". Journal de Physique. 9: 468. doi:10.1051/jphystap:018900090046800.
  30. ^ Elster and Geitel, Wied. Ann. xxxviii. pp. 40, 497, 1889; xli. p. 161, 1890; xlii. p. 564, 1891; xliii. p. 225, 1892; lii. p. 433, 1894 ; lv. p. 684, 1895.
  31. ^ Thomson, J. J. (2005). Conduction of Electricity Through Gases. Watchmaker Publishing. ISBN 978-1-929148-49-3. Retrieved 9 July 2011.
  32. ^ Hallwachs, W. (1907). "Über die lichtelektrische Ermüdung". Annalen der Physik. 328 (8): 459–516. Bibcode:1907AnP...328..459H. doi:10.1002/andp.19073280807.
  33. ^ Stoletow, A. (1888). "Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets". Comptes Rendus. CVI: 1149. (Reprinted in Stoletow, M.A. (1888). "On a kind of electric current produced by ultra-violet rays". Philosophical Magazine. Series 5. 26 (160): 317. doi:10.1080/14786448808628270.; abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  34. ^ Stoletow, A. (1888). "Sur les courants actino-electriques au travers deTair". Comptes Rendus. CVI: 1593. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  35. ^ Stoletow, A. (1888). "Suite des recherches actino-électriques". Comptes Rendus. CVII: 91. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  36. ^ Stoletow, A. (1889). "Sur les phénomènes actino-électriques". Comptes Rendus. CVIII: 1241.
  37. ^ Stoletow, A. (1889). "Актино-электрические исследовaния". Journal of the Russian Physico-chemical Society (in Russian). 21: 159.
  38. ^ Stoletow, A. (1890). "Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié". Journal de Physique. 9: 468. doi:10.1051/jphystap:018900090046800.
  39. ^ The International Year Book. (1900). New York: Dodd, Mead & Company. p. 659.
  40. ^ Buchwald, Jed; Warwick, Andrew, eds. (2004). Histories of the Electron: The Birth of Microphysics (PDF) (illustrated, reprint ed.). MIT Press. pp. 21–23. ISBN 978-0-262-52424-7.
  41. ^ "The Nobel Prize in Physics 1921". Nobel Foundation. Retrieved 2013-03-16.
  42. ^ "The Nobel Prize in Physics 1923". Nobel Foundation. Retrieved 2015-03-29.
  43. ^ Bloch, E. (1908). "L'ionisation de l'air par la lumière ultra-violette". Le Radium. 5 (8): 240. doi:10.1051/radium:0190800508024001.
  44. ^ Thomson, J. J. (1907). "On the Ionisation of Gases by Ultra-Violet Light and on the evidence as to the Structure of Light afforded by its Electrical Effects". Proc. Camb. Phil. Soc. 14: 417.
  45. ^ Palmer, Frederic (1908). "Ionisation of Air by Ultra-violet Light". Nature. 77 (2008): 582. Bibcode:1908Natur..77..582P. doi:10.1038/077582b0.
  46. ^ Palmer, Frederic (1911). "Volume Ionization Produced by Light of Extremely Short Wave-Length". Physical Review. Series I. 32 (1): 1–22. Bibcode:1911PhRvI..32....1P. doi:10.1103/PhysRevSeriesI.32.1.
  47. ^ "The Nobel Prize in Physics 1921". Nobel Foundation. Retrieved 2008-10-09.
  48. ^ Lamb, Willis E.; Scully, Marlan O. (1968). "Photoelectric effect without photons, discussing classical field falling on quantized atomic electron" (PDF).
  49. ^ Planck, Max (1901). "Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum (On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum)". Annalen der Physik. 4 (3): 553. Bibcode:1901AnP...309..553P. doi:10.1002/andp.19013090310.
  50. ^ Resnick, Robert (1972) Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory, Wiley, p. 137, ISBN 0-471-71702-9.
  51. ^ a b Knight, Randall D. (2004) Physics for Scientists and Engineers With Modern Physics: A Strategic Approach, Pearson-Addison-Wesley, p. 1224, ISBN 0-8053-8685-8.
  52. ^ Penrose, Roger (2005) The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe, Knopf, p. 502, ISBN 0-679-45443-8
  53. ^ Resnick, Robert (1972) Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory, Wiley, p. 138, ISBN 0-471-71702-9.
  54. ^ Timothy, J. Gethyn (2010) in Huber, Martin C.E. (ed.) Observing Photons in Space, ISSI Scientific Report 009, ESA Communications, pp. 365–408, ISBN 978-92-9221-938-3
  55. ^ Burns, R. W. (1998) Television: An International History of the Formative Years, IET, p. 358, ISBN 0-85296-914-7.
  56. ^ Tsokos, K. A. (2010). Cambridge Physics for the IB Diploma (revised ed.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-13821-5.
  57. ^ Weaver, J. H.; Margaritondo, G. (1979). "Solid-State Photoelectron Spectroscopy with Synchrotron Radiation". Science. 206 (4415): 151–156. Bibcode:1979Sci...206..151W. doi:10.1126/science.206.4415.151. PMID 17801770.
  58. ^ Lai, Shu T. (2011). Fundamentals of Spacecraft Charging: Spacecraft Interactions with Space Plasmas (illustrated ed.). Princeton University Press. pp. 1–6. ISBN 978-0-691-12947-1.
  59. ^ "Spacecraft charging". Arizona State University.
  60. ^ Bell, Trudy E., "Moon fountains", NASA.gov, 2005-03-30.
  61. ^ Dust gets a charge in a vacuum. spacedaily.com, July 14, 2000.
  62. ^ Evans, R. D. (1955). The Atomic Nucleus. Malabar, Fla.: Krieger. p. 673. ISBN 0-89874-414-8.
  63. ^ Evans, R. D. (1955). The Atomic Nucleus. Malabar, Fla.: Krieger. p. 712. ISBN 0-89874-414-8.
  64. ^ Davisson, C. M. (1965). "Interaction of gamma-radiation with matter". In Kai Siegbahn (ed.). Alpha-, Beta- and Gamma-ray Spectroscopy: Volume 1. Amsterdam: North-Holland Publishing Company. pp. 37–78. Bibcode:1965abgs.conf...37D.
  65. ^ Knoll, Glenn F. (1999). Radiation Detection and Measurement. New York: Wiley. p. 49. ISBN 0-471-49545-X.

External links

Applets