Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Специальная схема подключения источника позволяет изменать полярность напряжения, подаваемого на фотоэлемент. Качественный вцл вольт-амперной характеристики такого фотоэлемента, т. е. зависимости фототока 1 от напряжения У между катодом и анодом для случая неизменного светового потока, падающего на катод, представлен на рис. 1.13. Рис. 1.12.
Схема установки Столетова лла научения фотоэффекта Положительное напряжение соответствует ускоряющему электрическому полю, в которое попадают вылетающие из катода электроны. Поэтому в области положительных напряжений все испускаемые катодом электроны достигают анода, обусловливая фототок насыщения 1„ 45 -и, о У Рис. 1.13. Вольт-амперяая характеристика фотоэффекта Небольшой спад фототока при малых положительных напряжениях, который наблюдается в опытах, связан с контактной разностью потенциалов между катодом и анодом. Далее при обсуждении закономерностей фотоэффекта мы будем пренебрегать влиянием контактной разности потенциалов.
При отрицательном напряжении (У < О) испущенный катодом 2 Е = — то" =газ г (1.54) 46 электрон попадает в тормозящее электрическое поле, преодолеть которое он может, лишь имея определенный запас кинетической энергии. Электрон с малой кинетической энергией, вылетев нз катода, не может преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Такой электрон возвращается на катод, не давая вклада в фототок.
Поэтому плавный спад фототока в области отрицательных напряжений указывает на то, что вылетающие нз катода фотоэлектроны имеют разные значения кинетической энергии. При некотором отрицательном напряжении, модуль которого Уз называют задерживающим напряжением (потенциалом), фототок становится равным нулю. Соответствующее тормозящее электрическое поле при этом задерживает все вылетающие из катода электроны, включая электроны с максимальной кинетической энергией Ещ.
Измерив задерживающее напряжение, можно определить эту максимальную энергию или максимальную скорость и „фотоэлектронов из соотношения Экспериментально были установлены следующие основные законы фотоэффекта. 1. Для монохроматического света определенной длины волны фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод. 2. Максимальная кинетическая энергия фотозлектронов не зависит от величины светового потока, а определяется лишь частотой излучения.
3. Для каждого вещества катода существует своя граничная частота ч„, такая, что излучение с частотой у < ч„фотоэффекта не вызывает. Эту граничную частоту называют частотой красной границы фотоэффекта. По шкале длин волн ей соответствует длина волны красной границы 3,„, такая, что эмиссию электронов из данного металла вызывает излучение лишь с меньшей длиной волны (Х < Х„). Попытки объяснить закономерности фотоэффекта используя классическую волновую теорию, в которой излучение рассматривалось как электромагнитные волны, приводили к выводам, противоположным наблюдаемым в эксперименте. Действительно, поскольку согласно этой теории вырывание электронов из металла обусловлено силовым воздействием на них со стороны электрического поля волны, то максимальная кинетическая энергия фото- электронов должна определяться световым потоком, падающим на катод.
Наличие красной границы у фотоэффекта также противоречило выводам волновой теории. Именно для объяснения экспериментов по фотоэффекту в 1905 г. А. Эйнштейн п едложил кон е ю отонов как ча ц ения нес х кв нт эне гии. Рассмотрев процесс взаимодействия излучения с металлом как процесс неупругого соударения фотона со свободным электроном металла, Эйнштейн легко объяснил закономерности фотоэффекта. Действительно, в таком процессе электрон получает всю энергию от фотона, которая пропорциональна частоте излучения. Число же вырванных из металла электронов и, следовательно, фототок насыщения пропорциональны числу падающих на металл фотонов, которое определяется величиной потока энергии излучения.
Если в такой модели процесса пренебречь потерями энергии электрона при его движении внутри металла по направлению к поверхности, то из закона сохранения энергии следует соотношение 47 Ьч=А +Е,„, (1.55) которое называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэфг фекта. Здесь Е = — — максимальная кинетическая энергия н~о т 2 нерелятивисгских фотоэлектроиов. Из этого уравнения непосредственно вытекают второй и третий законы фотоэффекта. Действительно, из (1.55) следует, что максимальная энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего на металл излучения.
Кроме того, если Ьч < А„то фото- эффект не должен наблюдаться. Отсюда для частоты и длины волны красной границы фотоэффекта получаем простые формулы ч„= — и Х„= —, А Ьс Ь А (1.5б) из которых следует, что эти характеристики полностью определяются значением работы выхода электрона из металла. Таким образом, квантовая теория излучения в отличие от волновой теории с успехом обьясняет явление фотоэффекта. Единственным возражением против квантового объяснения мог бы стать известный (см.
задачу 1.7) вывод теории о том, что свободный эле он не может поглотить стон, ибо такой процесс противо.э~ар яг, о пако, снимается, если есть, что в металле эле он взаимо- 48 действует с атомами кристаллической ешетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла. Квантовую природу фотоэффекта подтверждают также опыты Э. Майера и В. Герлаха, которые в 1914 г. исследовали фотоэлектрический эффект на мельчайших частицах металлической пыли. В этих опытах удалось оценить время, за которое частица получает энергию от излучения, достаточную для эмиссии электрона. Оно оказалось значительно меньше времени, которое необходимо для накопления энергии пылинкой, если считать, что энергия накапливается за счет поглощения электромагнитной волны.
Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход У, определяющий число вылетевших электронов, приходящихся на один падающий на металл фотон. Вбли- зи красной границы для большинства металлов квантовый выход составляет порядка 10 электрон/фотон. Малость квантового вы- -4 хода обусловлена тем, что энергию, достаточную для выхода из. металла, сохраняют только те электроны, которые получили энергию от фотонов на глубине от поверхности, не превышающей 0,1 мкм.
Кроме того, поверхность металлов сильно отражает излучение. С увеличением энергии фотонов, т. е. с уменьшением длины волны излучения, квантовый выход увеличивается, составляя 0,01...0,05 электрон/фотон для энергии фотонов порядка одного электрон-вольта. Для рентгеновского излучения с энергией фотонов Е„=10 эВ уже практически на каждые десять падающих з на поверхность фотонов приходится один вылетевший из металла электрон. Фотоэффект нашел широкое применение в науке и технике. Так, записав уравнение Эйнштейна (1.55) в виде (1.57) ~У, =ЬЧ-Ав, можно заметить, что график зависимости задерживающего напряжения от частоты излучения должен иметь вид прямой линии, наклон которой определяется значением постоянной Планка. Измерив этот наклон экспериментально для натрия, магния, меди и алюминия, Р. Милликен в 1914 г. с хорошей точностью вычислил значение постоянной Планка.
В 1923 г. за работы в области элементарных зарядов и фотоэлектрического эффекта Миллнкен был удостоен Нобелевской премии по физике. Приборы, в основе устройства которых лежит фотоэффект, называют фотоэлементами. Обычный вакуумный фотоэлемент выполнен в виде вакуумированной колбы, у которой внутреннюю поверхность, за исключением небольшого окошечка для доступа света, покрывает тонкая пленка из металла с малой работой выхода (цезий, калий, натрий). Анод представляет собой проволочное кольцо в центре колбы. Между катодом и анодом прикладывается ускоряющее напряжение 80...100В.
Фотоэлементы широко применяются в технике (фотореле, люксметры, системы звукозаписи на пленку и др.). В последнее время с вакуумными фотоэлементами конкурируют фоторезисторы, работа которых основана на использовании внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. 49 Внешний фотоэффект используется также в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) — современных электронных приборах для регистрации и преобразования слабых световых сигналов.
Такие приборы широко применяются в астрономии, прикладной оптике, ядерной физике. В ФЭУ фотоэлектронная эмиссия сочетается с системой умножения количества электронов, действие которой основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Эффект Комптона. При большой энергии фотонов, в частности в случае рентгеновского излучения (Е-0,01 МэВ), процесс поглощения фотонов электронами вещества становится маловероятным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
