3. Atomi fotoeffektus. A fotoeffektus alkalmazásai
Az eddig tárgyalt fényelektromos hatás az ún. külső fotoeffektus, amikor a kötött állapotából fény által kiütött elektron kilép az anyagból. Létezik belső fotoeffektus is, amikor a fotont elnyelő elektron benne marad az anyagban. Például félvezetőkben illetve szigetelőkben ilyenkor megnő az anyag elektromos vezetőképessége, az ún. vezetési elektronok számának növekedése miatt. De ez csak akkor következik be, ha a fotonok hf energiája meghaladja azt a küszöbenergiát, ami az ún. valenciasávban lévő „kötött” illetve a vezetési sávban lévő „szabad” elektronok energiája között van.
Másik példának megemlítjük a különböző fotokémiai reakciókat, amikor valamely molekula fény hatására elbomlik (disszociál). A bomlás csak akkor következik be, ha a fotonok hf energiája nagyobb egy bizonyos küszöbértéknél, a molekula ún. disszociációs energiájánál. A hagyományos fényképezésnél használt fotopapírok megfeketedése is fotokémiai folyamat. Ha az ezüst-bromid szemcséket tartalmazó réteget fény éri, az ionos kötések felbomlanak és a semlegessé váló ezüst atomok fém ezüst formájában nagyon pici gócokban kiválnak. Ezeket a gócokat azután kémiai eljárással tovább lehet hízlalni. A film feketedése végső soron az adott helyet ért fotonok számától függ. Természetesen az ionos kötések felbontásának is megvan a maga küszöbenergiája, aminél pl. a vörös fény fotonjainak energiája már kisebb, ezért lehet a filmhívás közben vörös fénnyel nyugodtan világítani a fotolaboratóriumban, az nem képes fotokémiai reakciót kiváltani.
Közismert persze, hogy napjainkban a fényképezés a hagyományos gépek helyett egyre inkább digitális kamerával történik. Ennek a lelke az ún. CCD detektor (CCD = charge coupled device, töltés-csatolt eszköz), amelyben egymás mellett sűrűn elhelyezkedő fényérzékelő félvezető cellák (pixelek) találhatók. A pixelekből a fény fotoeffektus révén elektronokat üt ki, és az ennek megfelelő töltés mennyiségét ötletes elektronikával kiolvasva a kép digitális formában tárolható. A CCD detektorok jellemzője a nagy érzékenység. Ugyancsak érzékenységükkel tűnnek ki a nagyenergiájú fotonok (gammasugárzás) detektálására alkalmas ú.n. fotoelektronsokszorozók (lásd Magfizika fejezet …?).
Megemlítünk még egy nagyon fontos anyagvizsgálati módszert, a fotoelektron-spektroszkópiát. (Angol rövidítése: PES = Photoelectron Spectroscopy.) Ennek során egy foton elnyelése révén kiütünk egy elektront az atomban kötött állapotából. A kilépő elektron kinetikus energiája Ekin = hf – Ekötési. Mint majd az 5.§-ban látni fogjuk, az atomokban kötött elektronok energiája nem folytonos, hanem diszkrét, és a lehetséges kötési energiák ujjlenyomatszerűen jellemzőek a különböző atomokra. Az anyagból kilépő elektronok mozgási energiájának pontos mérése kiváló módszer a vizsgált anyag kémiai összetételének meghatározására. Attól függően, hogy milyen erősen kötött elektronokat szeretnénk kiütni az atomból, fényforrásként vagy ultraibolya (UV-PES) vagy röntgen (X-PES) forrást szokás használni (a röntgensugárzásról lásd a 4. paragrafust). Az utóbbi módszer alkalmas az atomok legbelső, legerősebben kötött, ún. törzselektronjainak vizsgálatára. Továbbá, molekulákban az atomok közti kémiai kötés miatt kicsit megváltoznak az elektronok kötési energiái a szabad atomokéhoz képest. Ez a fotoelektron-spektrumban az ún. kémiai eltolódás. (Több más spektroszkópiai módszernek is megvan a maga kémiai eltolódása.) Ezen alapul az ESCA-nak (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) nevezett spektroszkópiai analítikai módszer.
Végezetül megjegyezzük, hogy fotoeffektus csak kötött elektronokon mehet végbe, annál nagyobb valószínűséggel, minél erősebben kötött az elektron.
Feladat : Lássuk be – felhasználva a relativitáselmélet részben az anyagvektorról (energia-impulzus négyesvektorról) írtakat – hogy egy szabad elektron nem nyelhet el egy nulla nyugalmi energiájú részecskét, mint amilyen a foton, mivel ennek során lehetetlen egyszerre kielégíteni az energia és az impulzus megmaradását.
|
