Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 90
Текст из файла (страница 90)
При учете этих физически ясных условий легко записать уравнение, описывающее процесс поглощения одного кванта и возникновения электрона с наибольшей скоростью: Ьч=А+ 2 (8.52) Учитывая исходное соотношение (8.49) между потенциалом задержки н максимальной кинетической энергией фотоэлектрона, имеем 1 вад Ь А (8.53) о ч Выражение (8.53) находится в полном согласии с данными опыта. Коэффициент й = )тlд действительно является константой, а Ув=А/д должен зависеть от свойств катода, так как работа выхода электрона характеризуется глубиной потенциальной ямы, в которой находится электрон, и определяется свойствами данного металла.
Заметим, что наблюдается совпадение между значением работы выхода, определяемым из результатов опытов по фото- да эффекту, и данных, полученных 1 при исследовании термоэлектронной эмиссии — физического про- м цесса, в котором работа выхода иг- л, х л рает основную роль. 75 Соотношение (8.53) позволяет определить постоянную Планка из ча -йу а фт га измерения наклона прямых, выра- р я 4 3 Рис. 834. Зависимость силы фототока жающих зависимость потенциала от приложенной разности йотеипиазадержки от частоты падающего на лов при освещеиии фотокатола равфотокатод излучения. Весьма точ- личными ультрафиолетовыми липкими ное определение )т таким методом ртути было выполнено П. И. Лукирским и С.
С. Прилежаевым в 1930 г. Для измерений использовали сферический конденсатор, внутренний шарик которого был изготовлен из никеля и освещался светом ртутной лампы. Спектральные линии ртути, возбуждавшие фотоэффект, выделялись монохроматором с кварцевой призмой. В этих опытах наблюдался относительно крутой спад кривых, характеризующих зависимость силы фототока от приложенного потенциала, так как в сферическом конденсаторе практически все фотоэлектроны достигают анода, что уменьшало ошибку в измерении )т„д. При этом автоматически учитывалась контактная разность потейцналов. На рис.
8.14 приведены экспериментальные кривые зависимости силы фототока от приложенной разности потенциалов, полученные при облучении катода светом различных ультрафиолетовых линий ртути. Зависимость У„д от частоты облучающего фотокатод света приведена на рис 8.15. Это идеально прямая линия, из угла наклона которой находится постоянная Планка й= 6,55 1О-" эрг с.
Отличное согласие результатов данных опытов с измерениями этой константы, проведенными совсем другими методами (законы абсолютно черного тела, коротковолновая граница сплошного рентгеновского спектра), являлось доказательством корректности квантового описания фотоэффекта. В этом кратком изложении нарочито упрощена схема явления и ие обсуждались два важных момента: 10 1) при формулировке квантового условия (8.52) не упоминалась новаторская идея Эйнштейна, предположившего в развитии исходной посылки Планка существование особой частицы — фотона, который образуется при излучении кванта энергии и погибает при его поглощении.
Свойства фотонов и следствия применения законов сохранения для описания элементарных актов 4чонГО 0 0 )О р ВЗаИМОдЕйСтВИя фОтОНОВ С ВЕщЕСтвом будут подробно обсуждены в З 8.5; 45 2) рассмотрен наиболее простой механизм процесса — один фотон выбивает из атома один электрон. 15 Современная физика широко использует многофотонные процессы, когда складываются энергии двух и более фотонов. Нашли также пригн),0 менение методы, в которых один фотон большой энергии (ренгтеРис.
8.)й. Зависимость 5гвад от часто- нОВСкнс ЛУЧИ иЛИ ДаЛеКаЯ УльтРаты оодучаю)пего фотодатод света фиолетовая область спектра) выби- вает из атома два электрона. В заключение упомянем об одном явлении. В детальных экспериментах было замечено, что при определенных условиях опыта зависимость 2 (д) не является монотонной и имеет максимум в некоторой области спектра, зависящей от угла падения света на фотокатод, а также его поляризации. При этом оказалось, что такой селективный эффект наибольший в том случае, когда вектор напряженности электрического поля световон волны пер- 00 пендикулярен поверхности металла, и практически не имеет места в том слу- 50 г чае, когда эта компонента Б отсутствует (рис.
8.16; селективный эффект для двух гоо гво мо мо 5го зтоуу направлений поляризации возбуждающего света, падающего на сплав кзлия И НатРИЯ ПОД УГЛОМ 60'). ПО-ВИДИМОМУг Если вектор Е етовоа волны инездесь проявляются некие волновые ет составляющую, перпендикуляр. ную поверхности фотакатода, ЗСПЕКТЫ фОТОЭффЕКТЗ, ОТНОСящИЕСЕ К то сила фототока еависит от Х не- ионотоино (!Ь Крнваи 2 отвечает УСЛОВИЯМ ВЫРЫВаНИЯ ЭЛЕКтРОНа ИЗ МЕ- учаю. когда Е параллелен поверх- ТЗЛЛЗ.
В З 8.5 Обеуждси ВОПРОС О ВОЗ- ' ности можности описания одного и того же явления врамках как волновой, так и квантовой (корпускулярной) оптики на примере давления света, позволяющем более однозначно сформулировать задачу и охарактеризовать условия опыта. Обратимся теперь к весьма важному вопросу о практическом использовании фотоэффекта. В современном эксперименте фотоэлектрические измерения световых потоков широко применяют во всем оптическом диапазоне. Измерения базируются на законах фотоэффекта, из которых в данном случае наиболее важна строгая пропорциональность силы тока насьпцения и светового потока. Для измерений используют различные устройства, правильная оценка возможностей которых часто оказывается совсем не простой.
Простейшим фотоэлектрическим приемником света является фотоэлемент. Принцип его действия ясен из рис. 8.17. Фотоэлемент представляет собой хорошо эвакуированную и затем отпаянную колбу, на часть внутренней поверхности которой нанесен тонкий слой металла, являющегося катодом К. Выбиваемые светом 1 электроны долетают до анода А и тем самым замыкают анодную цепь, по которой протекает фототок. Приложенная внешняя разность потенциалов должна быть достаточной для того, чтобы наступило насыщение фототока, который может быть измерен непосредственно например, 2) или усилен для реги- 2 страции его другим, менее чувствительным прибором. Такое явление часто называют внешним фотоэффектом.
Смысл этого названия будет более ясен после характеристики полупроводниковых фотоэлементов, в которых носители тока не покидают рис. б.17, Принципиальная катод, а лишь перераспределяются по раз- схема простеишего фотозлсличнымегочастям. Такое явление обычно мента называют внутренним фотаэффектом. Для того чтобы удовлетворить требованиям к спектральным свойствам фотоэлемента (т. е. обеспечить достаточную его чувствительность в заданной области спектра), приходится использовать фотокатоды сложного состава. Так, например, для измерений световых потоков в видимой и близкой ультрафиолетовой области обычно применяют сурьмяно-цезиевые фотокатоды, имеющие максимум чувствительности в сине-фиолетовой области спектра ()ь ж 4500 А).
Проводить измерения такими фотбэлементами в красной и инфракрасной области спектра невозможно, и для этих целей обычно применяют кислородно-цезиевые фотокатоды, имеющие максимум чувствительности уже за границей видимого спектра ()ьж8000 А).
Но если длина волны исследуемого излучения будет больше чем 1,1 — 1,2 мкм, то и такие фотоэлементы уже непригодны и для измерений могут быть использованы фотодиоды, которые будут описаны ниже. Для обеспечения высокой чувствительности измерений нужно правильно выбрать тип фотокатода, конструкцию фотоэлемента, условия его эксплуатации.
Обычно эти данные приводятся в паспорте фотоэлемента. Чувствительность фотоэлемента характеризуют силой фототока при стандартных условиях освещения. Вакуумные фотоэлементы обычно имеют чувствительность 50 — 80 мкА/лм. Для повышения чувствительности иногда наполняют колбу фотоэлемента каким-либо газом, не вступающим в реакцию с веществом фотокатода. В таких газонаполненных фотоэлементах выбитые из катода электроны при своем движении к аноду ионизируют атомы газа. Збб О бразующиеся в газе ионы и электроны движутся к электродам фотоэлемента, заметно увеличивая исходный фототок. Чувствительность таких устройств велика (она достигает 500 мкА/лм), но их вольтампериая характеристика имеет более сложный вид, чемобычная зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов, и часто не соблюдается пропорциональность силы фототока и светового потока.
Другим недостатком газонаполненных фотоэлементов является их инерционность, приводящая к искажению фронта регистрируемого сигнала и ограничивающая возможность измерения модулированных и бысгроизменяющихся световых потоков. При частоте модуляции в несколько килогерц обычно уже невозможно использование газо- наполненных фотоэлементов. Следует подчеркнуть, что обсуж- даемые свойства фотоэлектрических л приемников (спектральная характеристика и чувствительность, линейность, инерционность) весьма сущестЯа венны для исследования возможности рз~япприменениятогоили иного устройства х — катод; лк ла — дккоды; А — акад Существенный прогресс в фото- электрических измерениях был достигнут в 40 — 50-е годы, когда в практику начали широко внедряться фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
Идея создания таких приборов была выдвинута исследователями еще в 20-е годы, а первый прибор, в котором использован описанный ниже принцип усиления фототока, был создан в 1934 г. и получил в честь его изобретателя название дтрубки Кубецкого». Для усиления фототока в фотоэлектронных умножителях использовано явление вторичной электронной эмиссии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
