151095 (Фотоэлектронная эмиссия. Эффективные фотокатоды), страница 3

В области вакуумного ультрафеолета квантовый выход значительно менее чувствителен к состоянию поверхности, чем в области, прилегающей к красной границе. Прогрев металлов обычно уменьшает Y лишь примерно в 10 раз. пленки, напыленные в измерительном приборе, в большинстве случаев характеризуются в 1, 52 раза более низкими значениями Y, чем пленки тех же металлов в атмосфере. Так же как и в длинноволновой области, имеется разброс (примерно в пределах одного порядка ) в значениях Y, измеренных разными авторами.

Целый ряд исследований посвящен выяснению влияния температуры катода на фототок. Первоначальные опыты с естественным светом давали неясные результаты и в общем устанавливали слабую зависимость i_ф от Т, если изменение температуры не вызвало изменения состояния поверхности, агрегатного состояния или фазовых превращений. Изучение фотоэффекта вызываемого монохроматическим светом, несомненно, установило температурный эффект. При этом фототок i_ф слабо меняется с Т для _о и резко возрастает с повышением температуры при ~_o(и в особенности для _o). Примером могут служить данные для Рd, приведенные на рис.6

Рис 6.

Поведение тока было таково, как будто _o уменьшалось с ростом температуры. Эффективная красная граница смещалась в область меньших с ростом Т, и вид спектральной характеристики в области _o существенно менялся ; кривая i_ф в этой области спектра делалась положе и определение _о становилась весьма не определенным.

Ценную информацию о механизме фотоэффекта могут дать результаты исследований по энергетическим распределениям фотоэлектронов. Эти исследования проводились либо методом отклонения в магнитном поле, либо методом задерживающего потенциала. Как показали еще одни из первых исследований в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра, энергетический спектр фотоэлектронов эмитированных металлами непрерывен и занимает область от нуля до некоторого максимального значения Е_мах, определяемого соотношением Эйнштейна. Было показано, что при h, близких к h_o, энергетический спектр фотоэлектронов слабо зависит от природы металла. Он изображается плавной кривой с максимумом рис.C ростом h постепенно увеличивается относительное число медленных электронов, но общий характер кривой сохраняется

(см. рис 7. Кривые 1, 2 и 3).

Рис7.

Начиная с некоторого значения h, характер кривых распределения усложняется, значительно возрастает относительная доля медленных электронов и существенно уменьшается количество фотоэлектронов с энергиями и близкими к ним. Для К, например, такое изменение энергетического спектра по наблюдается при h ~ - E₁. Появление большого относительного количество медленных электронов в спектре фотоэлектронов при достаточно больших h объясняется обычно несколькими возможными причинами:

1) Большими потерями энергии, связанными с возбуждением фотоэлектронами при их движении к поверхности плазменных колебаний

2) Потерями энергии при взаимодействии с электронами проводимости, превращающими быстрые внутренние первичные фотоэлектроны в медленные; некоторые из возбужденных электронов проводимости также принимать участие в фотоэмиссии в качестве медленных фотоэлектронов; таким образом, при этом механизме один поглощенный фотон достаточной энергии может способствовать возникновению двух медленных фотоэлектронов;

3) Одновременном возбуждением при поглощении одного кванта излучения двух электронов; в этом случае, как и в предыдущем, некоторые из фотонов достаточной энергии могут создавать два фотоэлектрона. Энергетический спектр фотоэлектронов по данным подтвержденным в последние годы в работе, также существенно меняется при переходе к очень тонким металлическим пленкам. Так, согласно при h=3, 38 эв энергетический спектр электронов для пленки толщиной в 8 атомных слоев заметно отличается от такового для пленки толщиной 40 атомных слоев рис.8

Рис 8

Для тонких пленок количество медленных электронов уменьшается и возрастает число электронов с энергиями, близкими к максимальной, так как потери энергии, приводящие к превращению быстрых фотоэлектронов в медленные, на более коротком пути к поверхности в тонком фотокатоде уменьшаются.

Вопросы о виде спектральных характеристик фотокатодов, о распределении фотоэлектронов по энергиям и о температурной зависимости фототока лежат вне рамок первоначальной теории Эйнштейна. Рассмотрение их требует уточнения теории фотоэффекта. Решение задачи построения такой детальной теории принципиально должно было бы вестись по следующему плану : прежде всего следует выяснить при данной температуре Т распределение электронов в металле по различным состояниям; далее, выяснить вероятность поглощения электроном, находящимся в некотором состоянии, фотона частоты и определить состояние, в которое электрон при этом переходит. Затем требуется найти функцию распределения возбужденных электронов по состояниям. Далее следует определить для электронов, возбужденных в глубине металла, вероятности прохождения ими пути от места возбуждения до поверхности, а также потери энергии на этом пути. Затем надо найти выражение для потока электронов с данной энергией, падающих на потенциальный порог на границе металла, и определить вероятность прохождения ими через этот порог. Наконец, помножив число электронов с заданной энергией, падающих изнутри на 1см² поверхности фотокатода за 1 сек, на вероятность выхода, можно найти для данной частоты фотоэлектронов с заданной энергией вне металла (кривую распределения фотоэлектронов по энергиям). В заключение, интегрируя по всем энергиям, можно найти полный фототок как функцию Т и (спектральные характеристики для различных Т).

________________________________________________________

Работа выхода

Понятие работы выхода как меры энергии связи электронов с твердым телом возникло уже на ранних стадия развития электронной теории металлов. Для объяснения существования электронного газа внутри металла необходимо было допустить наличие у границ металла некоего поля сил f(x), направленных внутрь металла и препятствующих вылету свободных электронов во внешнее пространство. При удаления электрона из металла совершается работа против этих сил работа выхода :

(1)

Таким образом, в классической теории металлов работа выхода равнялось скачку потенциальной энергии электрона на границе металла.

В зоммерфельдовской модели металла понятие работы выхода несколько усложнилось. Интеграл выражения (1) определял так называемую внешнюю работу выхода W_a, равную полной глубине потенциального ящика металла. Однако даже при температуре электронного газа Т=0, в отличие от классической теории, считалось что не все электроны обладали кинетической энергией, равной нулю, но распределялись по энергиям от нуля до некоторой максимальной W_i равной границе распределения Ферми. Поэтому наименьшая энергия, которую необходимо сообщить одному из электронов в проводимости при Т=0 для удаления его из металла, оказалось равной

=W_aW_i (2)

Если энергию покоящегося электронов вне металла положить равной нулю, то

поэтому (3)

т.е. работа выхода равна взятой с обратным знаком полной энергии верхнего электронного уровня E _{max в} металле, занятого электроном при температуре электронного газа Т=0; в свою очередь уровень E _max равен уровню электрохимического потенциала E_o электронного газа. Однако и это определение работы выхода не вполне удовлетворительно. Реальный металл не представляет собой потенциального ящика с гладким дном, т.е.Uconst= -W_a, но внутри металла потенциал поля, в котором находится каждый электрон, есть периодическая функция координат, определяемая структурой решетки, а также состоянием всех остальных электронов. Можно дать следующее определение энергии связи электрона в твердом теле, в частности, в металле, не зависящее от конкретной модели этого тела. Сам факт стационарного существования электронов внутри него свидетельствует, что система из N _p ионов и N _e=N _p электронов внутри металла, находящихся в равновесии при температуре Т=0, обладает меньшей энергией, чем те же N _p ионов с N_e^’= N _e - n электронами при той же температуре также в состоянии равновесия. Обозначая энергию первой системы через E(N_p, N_e), а второй - через E (N_p, N_e), можно записать изменение энергии при удалении одного электрона, т.е. работу выхода при Т=0, в следующем виде :

. (4)

Это определение работы выхода аналогично определению работы ионизации нейтрального не возбужденного атома. При T>0 определение (4) делается неоднозначным.

Распределение электронов по энергиям в твердом

теле (металлы).

При построении электронной теории твердого тела требуется определить, какое число dN электронов в теле находится в квантовых состояниях, соответствующих некоторому интервалу энергий dE, иначе говоря, надо найти закон распределения электронов по энергиям. Функция f(e) характеризующая это распределение, определяется, во-первых, вероятностью (E) заполнения квантового состояния с энергией Е электроном:

f(E) (1)

Функция зависит от свойств частиц, образующих систему. системы тождественных частиц согласно квантовой механики подчиняются принципу неразличимости; для частиц со спином, равным (фермионы ), в частности для электронов, из этого принципа вытекает принцип Паули. При температуре Т=0 равновесным распределением любых частиц распределение, соответствующее минимуму полной энергии. Для фермионов это условие будет выполнено, если ими будут заняты квантовые состояния, соответствующие самым низким энергетическим уровням; число этих состояний Z, очевидно, равно N. При T >0 равновесное состояние соответствует минимуму свободной энергии. Для системы ферминов это условие удовлетворяется, если вероятность (E) равна

, (2)

где E₀ так называемый электрохимический потенциал системы (часто его называют также уровнем электрохимического потенциала или уровнем Ферми). Величина E₀ для системы электронов в некотором теле, взятая с обратном знаком, называется также работой выхода этого тела и обозначается через или e, т. е. E₀==e. Формулу (2) принято называть формулу Ферми. Из (1), учитывая (2), получим

(3)

Распределение электронов по энергиям, даваемое формулой, называется распределением Ферми. Для того чтобы написать формулу этого распределения в явном виде, требуется знать электрохимический потенциал системы E₀ и закон распределения плотности состояний электронов Электрохимического потенциала E₀ вычисляется из условия нормировки:

где N полное число электронов системы.

__________________________________________________________

Селективный фотоэффект

Для большинства чистых металлических фотокатодов сила фототока почти не зависит от характера поляризации света; лишь распределения фотоэлектронов по направлениям вылета несколько отличны при фотоэффекте, вызываемом светом, поляризованным параллельно и перпендикулярно к плоскости падения. Спектральная характеристика в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра плавно поднимается с ростом частоты падающего света. В 1894 Эльстер и Гейтель, исследуя фотоэффект с поверхности сплава калия и натрия, жидкого при комнатной температуре, обнаружили две новые особенности в этом явлении. Во-первых, спектральная характеристика после подъема с уменьшением длины световой волны достигла максимума и затем падала. Наличие наибольшей чувствительности фотокатода при некоторой длине волны получило название спектральной селективности. Во-вторых, фототок оказался существенно зависящим от поляризации падающего света. Введем следующие обозначения. Разложим электрический вектор световой волны, падающего на поверхность фотокатода под некоторым углом к ней, на две компоненты: во-первых, на электрический вектор, который колеблется в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения; будем обозначать такой свет через ; во-вторых, на электрический вектор, который колеблется в плоскости падения и, следовательно, имеет составляющую, перпендикулярную к поверхности фотокатода; будем обозначать такой свет через .