Ich habe mit dieser PheT-Simulation herumgespielt: https://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric
Unter einer bestimmten Schwellenwellenlänge und einer Intensität von 20 % wurden die Elektronen von der Natriumoberfläche emittiert. Ohne etwas zu ändern, hatten die Elektronen nicht die gleiche Geschwindigkeit. Warum?
Im Moment gehe ich davon aus, dass die Atome, aus denen die Elektronen emittiert werden, in Bezug auf die Konfiguration der Energieniveaus alle gleich sind. Damit beispielsweise ein Elektron von n = 1 auf n = 2 springt, würde es ein Photon mit 3 eV Energie benötigen (was es übrigens ausmacht), das Elektron ignoriert alle Photonen, die eine andere Energiemenge enthalten.
Nun, auch unter der Annahme, dass die Frequenz der einfallenden Photonenpakete durchgehend konstant bleibt, wäre es nicht sinnvoll, dass sich die emittierten Elektronen alle mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen?
TL; DR: Wenn ein Elektron zum Springen eine diskrete Energiemenge benötigt und wenn Photonenpakete auf eine Metalloberfläche gestrahlt werden, ohne die Frequenz zu ändern (sie haben alle die gleiche Energie), warum bewegen sich einige Elektronen schneller als andere, wenn sie als emittiert werden? wenn sie mehr Energie empfangen könnten?
Photoemission ist kein einfacher Prozess in einem Schritt. Das einfallende Photon regt ein Elektron an, aber der Impuls des anfänglichen Photoelektrons ist in der gleichen Richtung wie das einfallende Photon, dh nach unten in die Masse des Metalls. Damit das Elektron als Photoelektron emittiert werden kann, muss es entweder von einem anderen Elektron im Metall zurückgestreut werden oder es muss seine Energie auf ein anderes Elektron übertragen, damit das Elektron wieder zur Oberfläche zurückkehren kann.
Wie Sie sich vorstellen können, sind dies ziemlich unwahrscheinliche Ereignisse, und deshalb wird für jeden nur ein Photoelektron emittiert Zu Photonen. Die anfängliche Quantenausbeute beträgt fast 100 %, dh fast jedes Photon regt ein Elektron an, das in das Metall hinuntergeht, aber nur 0,001 % bis 0,0001 % dieser anfänglichen Elektronen schaffen es, mit genügend Energie zurückzustreuen, um das Metall zu verlassen.
Dies erklärt auch, warum die Energie der emittierten Elektronen einen kontinuierlichen Bereich hat. Die Rückstreuung ist ein zufälliger Prozess, und einige Elektronen streuen mit fast ihrer gesamten Anfangsenergie zurück, während andere nur mit einer geringen Energie zurückstreuen.
Es gibt mehrere Faktoren, die die von einem Photoelektron aufgenommene Energie bestimmen:
die Struktur der Kristalloberfläche bestimmt die Austrittsarbeit, was bedeutet, dass die (111)-Oberfläche von der (100)-Oberfläche verschieden ist; nur ein perfekter Kristall hat eine einzige Oberflächenstruktur.
Es gibt immer etwas Bandbreite zur optischen Quelle, obwohl sie recht klein sein kann. Man sollte erwarten, dass die Photoelektronen eine proportionale Bandbreite vererben.
Wenn die Energie der auftreffenden Photonen die Austrittsarbeit für die Photoemission übersteigt, steht diese zusätzliche Energie den Photoelektronen zur Verfügung, und ihre individuelle Geschichte bestimmt, wie sie aufgeteilt wird.
Für Fall (3) kann das Photoelektron unter der unmittelbaren Oberfläche entstanden sein und auf dem Weg zur Oberfläche einen Teil der erworbenen Energie verloren haben. Nur wenn es noch genug Energie hat, wird es entkommen.
Vermeiden Sie Fall (4), indem Sie eine starke Spannung anlegen, wodurch die emittierten Photoelektronen von der Photokathode weg beschleunigt werden. Dies dient auch dazu, die Austrittsarbeit leicht zu verringern, und bringt alle Photoelektronen dazu, in die gleiche Richtung zu gehen. Im Vakuum angewendet, sind dies die Anfänge einer Elektronenkanone.
In von mir durchgeführten Experimenten zur Erzeugung von Photoelektronen durch Übertragung durch ultradünne polykristalline Goldfilme betrug die Energiestreuung einen Bruchteil eines eV; Dies wurde in meinem Fall indirekt gemessen, aber andere haben es direkt gemessen. So ist es mit Aufwand und Kosten möglich, die Energieausbreitung der Photoelektronen zu begrenzen.
Neugierig