Che cos'è un fotoelettrone?
Un fotoelettrone è un elettrone emesso da una sostanza a causa dell'effetto fotoelettrico. L'effetto fotoelettrico si verifica quando un materiale che di solito è di natura metallica assorbe abbastanza radiazioni luminose in modo da provocare l'emissione di elettroni dalla sua superficie. La scoperta dell'effetto fotoelettrico fu fatta per la prima volta nel 1887 da Heinrich Hertz, un fisico tedesco, e successivamente fu chiamato effetto Hertz. Molti ricercatori hanno trascorso del tempo a definirne le proprietà nel corso degli anni e, nel 1905, Albert Einstein pubblicò scoperte che era causata da quantità di luce note come fotoni. La chiara ed elegante spiegazione di Einstein su come furono prodotti i fotoelettroni portò alla sua vincita del Premio Nobel per la fisica nel 1921.
Affinché i fotoelettroni vengano emessi da una superficie, la lunghezza d'onda della luce deve avere un valore sufficientemente basso, come quello della luce rossa. L'emissione di fotoelettroni è anche una caratteristica chiave utilizzata nella descrizione dei principi della meccanica quantistica. Il processo prevede che un quanti o singolo fotone di energia venga assorbito da un materiale solido se l'energia del fotone è maggiore dell'energia della banda di valenza superiore o del guscio elettronico più esterno del materiale.
La spettroscopia fotoelettronica è un processo in cui viene analizzata l'energia cinetica dei fotoni emessi da una superficie per studiare la regione superficiale di un materiale campione. Sono stati utilizzati due tipi di base del processo. La spettroscopia a raggi X studia i livelli fondamentali di un materiale utilizzando intervalli di energia dei fotoni da 200 a 2.000 volt di elettroni e la spettroscopia fotoelettronica a raggi ultravioletti utilizza livelli di energia dei fotoni tra 10 e 45 volt di elettroni per studiare l'elettrone esterno o i gusci di valenza del materiale. A partire dal 2011, la più recente apparecchiatura di sincrotrone, che è un ciclotrone magnetico che accelera elettrostaticamente le particelle, consente lo studio di intervalli di energia tra 5 e oltre 5.000 volt di elettroni in modo che non siano più necessarie apparecchiature di ricerca separate. Queste macchine sono costose e complesse, tuttavia, quindi non sono ampiamente utilizzate sul campo.
A partire dal 2011, le apparecchiature per spettrometri fotoelettronici sono state sviluppate con un rivelatore di elettroni in grado di funzionare all'aria aperta e alla pressione atmosferica, una novità nel settore. È in grado di misurare lo spessore dei film sottili fino a livelli di 20 nanometri o 20 miliardesimi di metro. Le macchine sono modelli desktop che utilizzano una sorgente di luce ultravioletta e possono operare in un intervallo da 3,4 a 6,2 volt di elettroni. Sono utilizzati per analizzare sia metalli che semiconduttori come il silicio.