1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 112
Текст из файла (страница 112)
е. для совершения работы выхода). Если эта картина верна, то энергня фотоэлектрона должна находить:ъ,.: ся в прямой связи с ннтенснвностью падающего света. Но опыт показывает, что энергия фотозлектронов совершенно не зависит от интенсивности света. Увеличение интенсивности приводит лишь к пропорциональному увеличению числа фотоэлектронов. Энергия же отдельного фотоэлектрона зависит только от частоты падающего света.
Более того, даже прн очень малой интенсивности фотоэлектроны появляются практически сразу после начала освещення (безынерцнонно), хотя, по классическим представлениям, в таких условиях требуется конечное время, чтобы электрон мог накопить необходимую энергию. Я 1905 г. Эйнштейн объяснил зкспе- рнментальные закономерности фотоэффекта на основе гипотезы световых квантов. Качественная картина с этой точки зрення выглядит следующим образом. Падающее монохроматнческое излучение рассматривается как поток фотонов, энергия которых связана с частотой соотношением е= =Ьок Прн поглощении фотона его энергия целиком передается одному электрону, н если эта энергия достаточна для того, чтобы * При очень высоких интенсивностях (сфокусированное лаэериое иэлунение) воэможен многофотонный фотоэффекг (см. $ !О.!), для которого красная граница ис- освободить электрон от удерживающих его связей, то он может выйти за пределы поверхности металла. Вероятность одновремен.
ного поглощения двух фотонов одним электроном мала, поэтому каждый фотоэлектрон получает энергию от одного фотонао. (Отметим, что, вообще говоря, не каждый поглощенный фотон приводит к освобождению электрона, т. е. квантовый выход — отношение числа фотоэлектронов к числу поглощенных фотонов — обычно меньше единицы.) По квантовым представлениям, полное число освобожденных электронов пропорционально числу поглощенных фотонов, т.
е. сила тока насыщения пропорциональна интенсивности. Но энергия отдельного фотоэлектрона определяется энергией поглощенного фотона е=ды. Отсюда ясно, почему энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света и совсем не зависит от его интенсивности (т. е. числа падающих фотонов). Приобретаемая электроном энергия е=йсо частично затрачивается на освобождение из металла. Ее излишек остается в форме кинетической энергии освобожденного электрона.
Минимальную энергию А, необходимую для освобождения электрона из металла, называют работой выхода. Таким образом, для фотоэлектронов, имеющих максимальную скорость, закон сохранения энергии в элементарном акте поглощения фотона (правнение Эйнштейна) можно записать в виде Ьсо='/зтпз+А (9.40) Очевидно, что при Ьсо(А электрон не может выйти из металла. Это значит, что существует некоторая минимальная частота излучения оь, =А/Ь, при которой еще возможен фотоэффект.
При меньших частотах со вы фотоэффект не наблюдается. Мы видим, что уравнение Эйнштейна (9.40) сразу объясняет существование красной границы фотоэффекта. Для различных металлов работа выхода А и, следовательно, граничная частота ос имеют разные значения. Кроме того, на работу выхода существенное влияние оказывают состояние и чистота поверхности металла, в особенности наличие пленки адсорбированного газа.
Для большинства металлов красная граница фотоэффекта приходится на ультрафиолетовую область спектра (в опытах Столетова с освещением цинковой пластинки фотоэффект пропадал при переходе от ультрафиолетовых к видимым лучам). Только у щелочных металлов красная граница попадает в область видимого света. Поэтому они используются для покрытия поверхности фотокатода у фотоэлементов, * Это усвержление справедливо про не слишносс большов иитеосивиости подающего света.
В 1967 г. был обнаружеи миогофотонний (иелинейиый) фосозффезт в метолзаз под действием сверхкоротких импульсов лазерного излучении. предназначенных для работы с видимым светом. Значения работы выхода А, определяемые по красной границе фотоэффекта, находятся в хорошем согласии со значениями, полученными при изучении термоэлектронной эмиссии. М аксимальная кинетическая энергия фотоэлектронов с/засос измеряется на опыте по задерживающему напряжению 1/з, которое необходимо приложить между фотокатодом и анодом для полного прекращения фототока: с/зпси =е(/з. Уравнение Эйнштейна (9.40) предсказывает линейную зависимость (/з от частоты падающего света: е 1/з = Ь(со — оз.
) . (9.41) Соотношение (9А1) было подтверждено в тщательных опытах Милл икеиа (! 9! 6), создавшего прибор, в котором поверхности исследуемых металлов подвергались очистке в вакууме. По наклону прямой, изображающей зависимость задерживающего напряжения (/з от частоты со, находится отношение Ь/е. Этот наклон одинаков для всех металлов. Полученное таким методом значение универсальной постоянной Планка Ь находится в хорошем согласии со значениями, найденными другими методами (по излучению черного тела, см.
$ 9.2; по коротковолновой границе сплошного рентгеновского спектра, см. 5 9.6). Точка пересечения графика (9.41) с осью абсцисс ос=оь, позволяет определить значение работы выхода А=Ьсо„, для исследуемого металла. Принято считать, что фотоэффект дает наиболее прямое экспериментальное доказательство квантовой природы излучения. Квантовая гипотеза и в самом деле позволяет непринужденно объяснить все основные экспериментальные закономерности фотоэффекта.
Но тем не менее следует отметить, что эти закономерности получают исчерпываюсцее объяснение и в полуклассической теории взаимодействия излучения с веществом, рассматривающей вещество квантово-механически, а излучение — как классическое электромагнитное поле. Это показал Г. Вентцель в 1927 г. С аналогичным положением вещей мы сталкиваемся и в проблеме равновесного излучения. Спектральное распределение энергии (формулу Планка) можно получить, рассматривая нормальные колебания электромагнитного поля в полости как набор квантовых осцилляторов, т. е.
как идеальный газ частиц излучения — фотонов (см. $ 9.3). Но формулу Планка можно получить и иначе, рассматривая излучение как классическое электромагнитное поле и применяя квантовую гипотезу лишь к находящемуся в равновесии с ним веществу (осцилляторам). Именно так и поступал Планк (см. Э 9.2). Полуклассическая теория взаимодействия света с веществом, не привлекая понятия фотона, дает количественное объяснение большинству наблюдаемых явлений. Квантование электромагнитного поля принципиально необходимо для правильного описания некоторых явлений, включающих его флуктуации: спонтанного излучения, лэмбовского сдвига, аномального магнитного момента электрона. '! !! Схема простейшего фотолле мента Остановимся теперь на практических применениях фотоэффекта.
Фотоэлектрические приемники излучения, преобразующие световой сигнал в электрический, разработаны практически для всего оптического диапазона и широко используются в науке и технике. Устройство простейшего вакуумного фотоэлемента показано на рис. 9.11.
Половина небольшого откачанного стеклянного или кварцевого баллона покрыта изнутри тонким слоем металла, который служит фотокатодом. Для видимой и близкой ультрафиолетовой области применяют сурьмяно-цезиевые фотокатоды, имеющие максимум чувствительности в сине-фиолетовой области спектра (1=450 нм), для красной н ближней инфракрасной — серебряно-кислородноцезиевые с максимумом в области Х-800 нм. Анод в виде небольшого кольца или сетки находится в центре баллона.
При освещении фотокатода в цепи возникает ток. Приложенное напряжение должно быть достаточным для насыщения фототока. Применение фотоэлемента для фотометрических измерений основано на строгой пропорциональности силы тока насыщения и потока излучения. Иногда используют прерыватель света, преобразующий постоянный сигнал в переменный, который затем усиливается обычными радиотехническими методами. Множество разных задач, решаемых с помощью фотоэлементов, вызвало к жизни большое разнообразие типов фотоэлементов с различными техническими характеристиками.
Существенный прогресс в фотоэлектрических измерениях был достигнут в 40 — 50-е годы, когда в практику начали широко внедряться фоюэлектроинае умножители (ФЭУ). Основной недостаток вакуумных фотоэлементов — малая величина вырабатываемых ими электрических сигналов — преодолевается в ФЭУ усилением фото- тока с помощью вторичной электронной эмиссии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
