Основные сведения о фотоэффекте

Фотоэффектом называется испускание электронов веществом при поглощении им квантов электромагнитного излучения (фотонов) [1-4,6-8]. Фотоэффект был открыт в 1887 г. Г.Герцем*¹, который обнаружил, что искровой разряд между двумя электродами происходит при меньшем напряжении, если искровой промежуток освещается светом с большой долей ультрафиолетового излучения. Первые исследования фотоэффекта выполнены А.Г.Столетовым*² (1888 г.), Ф.Ленардом и Дж. Дж. Томсоном*³ (1889 г.). Основные закономерности фотоэффекта были объяснены в 1905 г. А.Эйнштейном на основе представлений о поглощении энергии электромагнитного поля квантами. За работы по фотоэффекту Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике (1921 г.).

Процесс поглощения фотона свободным электроном невозможен, поскольку для него не могут быть одновременно выполнены законы сохранения энергии и импульса. Возможным является лишь рассеяние фотона на свободном электроне – поглощение исходного фотона электроном с испусканием им нового фотона. Электрону передается часть энергии первичного фотона, в результате чего энергия вторичного фотона оказывается меньше, чем первичного. Такой процесс называется эффектом Комптона (см. работу 4). В присутствии третьего тела (например, ядра атома) в веществе становится возможным поглощение фотона атомным электроном или электроном, свободно движущемся внутри металла.

Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. Внешний фотоэффект, называемый также фотоэлектронной эмиссией, имеет место при освещении поверхности металла, помещенного в вакуум (или разреженный газ). При этом электроны вылетают с поверхности освещенного металла. Внутренний фотоэффект – вырывание электрона из атома или молекулы называют фотоионизацией. Такой процесс в твердых телах приводит к возникновению в них свободных носителей заряда – электронов. В полупроводниках при этом возникают еще и положительные свободные заряды – дырки. Внутренний фотоэффект приводит к появлению фотопроводимости, а при пространственном разделении электронов и дырок – к возникновению вентильной фото-э.д.с. (см. работу 2).

Для внешнего фотоэффекта установлены следующие основные законы:

1) Фотоэффект безынерционен.

2) Величина фототока насыщения пропорциональна световому потоку при неизменном его спектральном составе.

3) Максимальная скорость фотоэлектронов  зависит для данного вещества лишь от частоты падающего света в соответствии с уравнением Эйнштейна

,                (3.1)

где  – энергия кванта, А_вых – работа выхода (см. Прил. 7), m – масса электрона. Это уравнение получено в предположении, что фотон взаимодействует только с одним электроном, а скорости электронов в металле близки к нулю. Предполагается также, что электроны движутся независимо друг от друга и изменение энергии одного электрона при поглощении фотона не приводит к изменению энергии других электронов.

     Для каждого вещества существует определенная частота света , ниже которой фотоэффект не происходит (в приближении, что температура металла близка к 0 К). Эта частота  и используемая чаще в спектроскопии соответствующая длина волны , называются красной границей фотоэффекта. Ее величина зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности. В соответствии с формулой (3.1) электрон сможет выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, т.е. , откуда

 и .                   (3.2)

Для чистой поверхности большинства металлов >3 эВ, поэтому для них фотоэффект наблюдается только в ультрафиолетовой части спектра. Для некоторых щелочных и щелочноземельных металлов  составляет от 2 до 3 эВ, для них фотоэффект наблюдается и в видимой части спектра. С учетом того, что 0 К и электроны обладают не нулевой начальной энергией, рост фототока начинается при частоте несколько меньшей, чем .

     Квантовый выход фотоэффекта (отношение числа выбитых фотоэлектронов к числу падающих фотонов) является сложной функцией от частоты света; сначала он увеличивается с увеличением частоты, затем проходит через максимум и далее может уменьшаться. Существенную роль играет то, что коэффициент отражения света от поверхности металла в видимой и ближней ультрафиолетовой областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле – квантовый выход много меньше единицы.

Фотоэлектронная эмиссия может быть представлена как результат трех последовательных процессов:

1) поглощения фотона в приповерхностном слое внутри металла и появление электрона с высокой энергией;

2) движения этого электрона к поверхности, при котором его энергия может уменьшиться из-за взаимодействия с электронами, колебаниями кристаллической решетки (фононами) и ее дефектами;

3) выход электрона в вакуум через потенциальный барьер на границе металла.

Не каждый быстрый электрон доходит до поверхности металла, средняя глубина выхода электронов меньше средней глубины поглощения фотонов. Это также уменьшает квантовый выход фотоэффекта.

На фотоэлектронной эмиссии основана работа вакуумных фотоэлементов. Их типичным примером является фотоэлемент типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный), представляющий собой сферический стеклянный баллон, из которого откачан воздух. В его центре расположен анод в виде кольца, фотокатод в виде тонкой пленки нанесен на одну половину внутренней поверхности баллона. Тонкая пленка наносится путем осаждения на подложку (обычно стекло) сначала паров сурьмы, а затем паров цезия, (эти операции могут чередоваться несколько раз). В результате образуется соединение . В отличие от металлов оно имеет значительный отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть является полупроводником (см. работу 15). Проводимость  хорошо описывается формулой

,                    (3.3)

где энергия активации  эВ (в интервале температур от 290К до 400К, [9]). Это вещество является полупроводником n-типа, основными носителями заряда являются электроны. Красная граница такого фотокатода 0,6 мкм. Дополнительная обработка  небольшим количеством кислорода (сенсибилизация) уменьшает работу выхода и сдвигает красную границу  в длинноволновую область спектра. Значительная интегральная чувствительность и высокий (в несколько раз выше, чем для остальных катодов) квантовый выход фотоэффекта сурьмяно-цезиевого фотокатода объясняется внутренним фотоэффектом в объеме вещества, сочетающимся с внешним фотоэффектом в его поверхностном слое. Выводы катода и анода фотоэлемента сделаны через два цоколя. Схема включения фотоэлемента указана на рис. 3.1.

 

Рис. 3.1. Схема включения фотоэлемента

 

В реальных устройствах после вылета электрона из поверхности металла катода он движется в вакууме в электрическом поле, имеющемся между катодом и анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом  складывается из внешнего приложенного напряжения  и контактной разности потенциалов , существующей между металлами катода и анода при их электрическом соединении

.                   (3.4)

После соединения в электрическую цепь (при электрическом контакте) между проводниками начинается обмен электронами, в результате чего они приобретают противоположные заряды. При этом электроны переходят из проводника с меньшей работой выхода, который заряжается положительно, в проводник с большей работой выхода, который приобретает отрицательный заряд. В условиях термодинамического равновесия установившаяся контактная разность потенциалов равна разности работ выхода из проводников катода и анода (см. Прил. 7) и не зависит от свойств промежуточных элементов электрической цепи, соединяющих катод и анод. Контактная разность потенциалов может достигать нескольких В. Поскольку катод (с малой работой выхода) заряжается положительно, а анод – отрицательно, при =0 на вылетевшие из катода электроны будет действовать задерживающая разность потенциалов . Ток между катодом и анодов возникает при условии

,      (3.5)

где  – элементарный заряд,  – полный запирающий потенциал. Поэтому условие появления фототока имеет вид

.            (3.7)

При подаче внешнего запирающего напряжения  фототок прекращается

.           (3.8)

На явлении внешнего фотоэффекта основано использование вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Важнейшими характеристиками фотоэлементов являются:

вольтамперная характеристика – это зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе I = f(U) при постоянном значении светового потока ;

интегральная чувствительность:

,                                     (3.9)

спектральная чувствительность:

                                  (3.10)

где – изменение фототока, вызванное изменением светового потока на величину ,  − изменение монохроматического потока излучения с длиной волны . У вакуумных фотоэлементов диапазон спектральной чувствительности лежит от 115 нм (ультрафиолетовое излучение) до 1200 нм (инфракрасное излучение).

 

Экспериментальная установка

 

Установка ФПК-10 (см. Прил. 1) состоит из осветителя (спектральной ртутной лампы) с источником питания, блока интерференционных светофильтров (1..4), устройства регулировки освещенности (диафрагма), усилителя фототока, на верхнюю крышку которого перед выходным окном осветителя устанавливаются фотоприемники с фотоэлементами Ф-8 и Ф-25, и измерительного устройства. Свет от ртутной лампы проходит через светофильтры с длинами волн пропускания, приведенными в табл. 3.1 и соответствующими четырем наиболее интенсивным линиям спектра ртути в видимой области (см. работу 9). Положение “0” блока светофильтров соответствует отсутствию светофильтров, положение “5” перекрывает лампу и используется для установки нуля. Схема включения фотоэлемента указана на рис. 3.1. В измерительном устройстве применена однокристальная ЭВМ с дополнительными устройствами, позволяющими производить измерение тока фотоэлемента, устанавливать и измерять питающее напряжение на фотоэлементе, устанавливать режимы прямого и обратного напряжения.

 

Таблица 3.1.

№ светофильтра	Длина волны, , нм	, 106 м-1	Энергия фотона, эВ	, В
1. Фиолетовый	407
2. Синий	435
3. Зелёный	546
4. Желтый	578

 

Внесите табл. 3.1 в отчет о работе, по формуле (3.2) найдите энергии фотонов и внесите их в третий столбец табл. 3.1.