Теоретическая часть

Тема: Изучение явления фотоэффекта

Лабораторная работа №8

Цель работы: определить задерживающее напряжение, максимальную кинетическую энергию выбитых электронов и работу выхода.

Оборудование: вакуумный фотоэлемент на панели, потенциометр, миллиамперметр, вольтметр, источник питания, источник света.

В световых явлениях наблюдается дуализм (двойственность). Эта двойственность проявляется в том, что одни световые явления объясняются волновой теорией света (отражение, преломление, дифракция, интерференция и др.); другие явления не могут быть объяснены волновой теорией, а объясняются корпускулярной (квантовой) теорией света, согласно которой свет представляет собой поток частиц – фотонов, каждая из которых обладает определенной энергией, массой и импульсом. К числу явлений, объясняемых корпускулярной теорией света, относится явление фотоэффекта.

Различают внешний и внутренний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов из вещества под действием света. Оно было открыто Герцем в 1887 году и подробно исследовано Столетовым в 1888 г. Для исследования фотоэффекта Столетов собирал следующую схему (рис. 1.1). На схеме металлическая пластинка К (фотокатод) соединена с отрицательным полюсом батареи.

Положительный полюс через гальванометр соединен с металлической сеткой А (анод). Оба электрода находятся в стеклянном сосуде, из которого откачивается воздух. При освещении катода (пластины К) светом в цепи возникает ток, который регистрируется гальванометром. Этот ток получил название фотоэлектрического тока (или фототока), а электроны, вырываемые светом из катода, – фотоэлектронами. Фототок представляет собой движение к аноду электронов, вышедших из катода.

Столетов исследовал зависимость фототока от величины приложенного напряжения между анодом и катодом. На рис. 1.2, а дана вольт-амперная характеристика фототока (т.е. зависимость величины тока от разности потенциалов между анодом и катодом при неизменном световом потоке Ф).

Из графика на рис. 1.2, а видно, что при некотором напряжении U_Н величина фототока достигает максимального значения и далее остается постоянной при любых значениях напряжения. Это значит, что все электроны, вырываемые светом из фотокатода, достигают анода.

Максимальный ток называется током насыщения при данном световом потоке Ф. Если изменять величину светового потока Ф, то получим семейство кривых для данного фотокатода (рис. 1.2, б).

При обобщении полученных данных Столетовым установлены три закона внешнего фотоэффекта.

Первый закон Столетова. При неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален мощности падающего на катод излучения, то есть число электронов, освобожденных светом в 1 секунду из катода (фототок насыщения I_н) пропорционально световому потоку Ф:

Если световой поток является немонохроматическим (то есть состоящим из набора различных длин волн, например, белый свет), коэффициент пропорциональности γ называется интегральной чувствительностью фотокатода

и измеряется в А/лм, мкА/лм или А/Вт.

Если катод освещается монохроматическим светом (то есть светом определенной длины волны), то называется спектральной чувствительностью фотокатода. Чувствительность современных фотокатодов достигает 60–100 мкА/лм.

Столетов установил безынерционность внешнего фотоэффекта. Промежуток времени между началом освещения и началом фототока не превышает 10^-9 секунду.

Второй закон Столетова. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности (от величины светового потока), а, следовательно, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит так же прямо пропорционально от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

Теоретическое объяснение второго закона Столетова предложил Альберт Эйнштейн. Он записал уравнение на основании закона сохранения энергии и гипотезы Планка

где hν – энергия кванта света, падающего на фотокатод фотоэлемента; h – постоянная Планка; ν – частота; А – работа выхода электрона из металла; v – скорость электрона.

Работа выхода А зависит от выбранного материала и чистоты его поверхности. Из уравнения (1.3) найдем кинетическую энергию выбитых электронов

тогда скорость фотоэлектронов можно определить соответственно

Следовательно, максимальная скорость вырванных фотоэлектронов зависит только от частоты света, вызывающего явление фотоэффекта. Если энергия фотона hν больше работы выхода, то фотоэлектроны приобретают скорость тем большую, чем больше частота падающего света.

Третий закон Столетова. Для каждого вещества существует красная граница внешнего фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν₀, при которой еще возможен фотоэффект (hν₀ = А). Частота ν₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Эта частота ν₀ (и соответствующая ей длина волны λ₀) называется «красной границей» (длинноволновой границей) фотоэффекта.

Из формулы (1.4) следует, что при частоте ν =ν₀, при которой энергия фотона равна работе выхода hν₀=A (уравнение Эйнштейна для красной границы фотоэффекта), кинетическая энергия фотоэлектрона равна нулю . Частота ν₀ и соответствующая ей длина волны и есть «красная граница» фотоэффекта для данного вещества (с – скорость света). Ниже приведена табл. 1.1 значений длинноволновой границы для чистых металлов и сложных фотокатодов.

Из таблицы видно, что у большинства чистых металлов «красная граница» лежит в области ультрафиолетовой части спектра.

Из вольтамперной характеристики (рис. 1.2, а) видно, что при отсутствии напряжения между электродами фототок не равен нулю. Это означает, что электроны, вырываемые светом из катода, имеют некоторую начальную скорость, а следовательно, и кинетическую энергию и могут достигнуть анода без наличия внешнего поля, образуя начальный ток.

Чтобы ослабить или совсем прекратить этот ток, необходимо создать тормозящее поле (U < 0). С возрастанием тормозящего поля величина фототока ослабевает постепенно, что свидетельствует о большом разнообразии скоростей фотоэлектронов (электроны освобождаются не только из поверхностных, но и из более глубоких слоев катода). Если подобрать такую разность потенциалов U_з, при которой фототок становится равным нулю, то можно утверждать, что все электроны, даже самые быстрые, задерживаются тормозящим полем.

Разность потенциалов, при которой фототок становится равным нулю, называется задерживающей разностью потенциалов. Задерживающая разность потенциалов является линейной функцией частоты ν падающего света (рис. 1.3) eU=νh−A.

Следовательно

Из этого соотношения определяется максимальное значение скорости и кинетической энергии вырванных светом электронов.

Экспериментально установлено, что спектральная чувствительность γ зависит от длины световой волны. На рис. 1.4 приведены спектральные характеристики для некоторых чистых металлов. Из рисунка видно, что, начиная от «красной границы», с уменьшением λ (с увеличением ν) происходит возрастание чувствительности фотокатода.

Перечисленные выше закономерности фотоэффекта не удалось объяснить с позиции волновой теории света. Действительно, с точки зрения этой теории фотоэффект должен наблюдаться при любой частоте (длине волны) света. Энергия, получаемая электроном от падающей световой волны, зависит от амплитуды волны. Следовательно, при любой длине волны, если свет обладает достаточной интенсивностью (т.е. достаточной амплитудой), можно ожидать освобождения электронов из металла и «красной границы» фотоэффекта не должно быть. Далее, с волновой точки зрения, кинетическая энергия фотоэлектронов должна была бы зависеть от интенсивности света, т. е. с увеличением интенсивности ему передавалась бы большая энергия. Но опыты это не подтверждают. Можно также показать, что с волновой точки зрения фотоэффект не может быть безынерционен (что противоречит опыту).

Итак: ни наличие «красной границы», ни зависимость скорости электронов от величины светового потока, ни безынерционность фотоэффекта невозможно объяснить волновой теорией света.

Эйнштейн, используя теорию Планка о квантах, предложил в 1905 г. новое объяснение фотоэффекта. Он предположил, что свет не только излучается, но и поглощается веществом отдельными порциями – фотонами, каждый из которых имеет энергию, равную

где ν – частота света, h = 6,625⋅10^-34 Дж⋅с – постоянная Планка.

При падении пучка фотонов на поверхность металла происходит соударение фотонов с электронами. При этом фотон отдает электрону всю свою энергию. Возбужденный электрон, получив от фотона энергию, может выйти из металла. Применив закон сохранения энергии к этому процессу, Эйнштейн получил формулу (1.3)

где A – работа выхода электрона из металла (различна у разных металлов); – кинетическая энергия вырванных электронов.

С точки зрения квантовой теории можно объяснить все закономерности фотоэффекта. Так, из формулы Эйнштейна (1.3) видно, что энергия вырванных частиц – электронов зависит прямо пропорционально от частоты падающего света, то есть от энергии фотонов, и не зависит от интенсивности света. Закон Столетова: чем больше световой поток, тем больше число фотонов в этом потоке и, следовательно, больше будет вырванных электронов, то есть выше ток насыщения. Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит практически мгновенно.

Явление фотоэффекта широко применяется в технике (звуковое кино, автоматика). Все технические применения фотоэффекта основаны на использовании фотоэлементов.

Фотоэлемент (рис. 1.5) состоит из стеклянного сосуда – баллона и двух электродов – катода и анода. Катод делается в виде тонкого слоя металла, который путем распыления наносится на половину внутренней части баллона. От материала фотокатода зависит, к каким частотам электромагнитного излучения он будет чувствителен (смотрите табл. 1.1).

При достаточной разности потенциалов между катодом и анодом все электроны, вылетающие с фотокатода, будут собираться на аноде. В этом случае сила тока в приборе будет строго пропорциональна интенсивности падающего на фотокатод излучения, причем сила тока будет меняться мгновенно, «без инерции». Вакуумные сурьмяно-цезиевые фотоэлементы при рабочем напряжении 240 В обладают минимальной чувствительностью 80 мкА/лм. Анод выполнен в виде кольца или сетки. Существуют как вакуумные, так и газонаполненные фотоэлементы. В газонаполненных (инертным газом с давлением до 10-2 мм рт. ст.) фотоэлементах величина тока больше за счет ионизации выбитыми электронами нейтральных молекул газа. Вновь образованные электроны, двигаясь к аноду, в свою очередь производят повторную ионизацию. Усиление тока в газонаполненном фотоэлементе происходит пропорционально освещенности и нарушается безынерционность. Область применения таких фотоэлементов ограничена.

Для усиления фототоков часто пользуются явлением, получившим название вторичной электронной эмиссии. Это явление заключается в том, что электроны, обладающие достаточной энергией, падая на поверхность металла, не только сами отражаются от этой поверхности, но и вызывают эмиссию новых электронов с этой поверхности. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Величина вторичной эмиссии характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии σ – отношением числа вторичных электронов n₂ к числу первичных n₁, вызывающих эмиссию:

В зависимости от вещества и энергии падающих электронов коэффициент вторичной эмиссии σ может достигать десяти и более. Явление вторичной эмиссии используется для усиления фототока. На рис.1.6 приводится схематическое изображение фотоэлемента с однократным вторичным усилением. Устройство фотоэлемента с однократным усилением аналогично устройству вакуумного фотоэлемента.

Светочувствительный слой, играющий роль первичного фотокатода, нанесен на внутренней поверхности стеклянного вакуумного баллончика и присоединен к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. На противоположной внутренней стороне баллона нанесен такой же светочувствительный слой D. Он является вторым электродом-эмиттером. Между катодом и эмиттером расположен третий электрод – анод, потенциал которого выше потенциала эмиттера. Фотоэлектроны, выбитые световым потоком с катода K, ускоряются электрическим полем и значительная их часть, пролетая через анод A, представляющий собой сетку, преодолевая встречное поле между анодом и эмиттером, попадает на вторичный эмиттер D, получивший название динода. Выбитые из него электроны меньших скоростей, чем первичные, собираются анодом.

Если коэффициент вторичной эмиссии электронов больше единицы, то сила тока в цепи анода будет больше силы первичного тока с катода, вызванного действием освещения.

Особенно высокое усиление дает прибор с многократным усилением тока за счет вторичной электронной эмиссии, изобретенный А.А. Кубецким и получивший название фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) (рис. 1.7).

Фотоэлектронные умножители применяются, главным образом, для измерения малых световых потоков (астрономия и оптическая спектрометрия) и для регистрации кратковременных слабых световых вспышек (ядерная физика и техника).

Любое изображение можно рассматривать как многоканальную систему передачи информации, причем число каналов выражается числом разрешаемых элементов передаваемого изображения. Для этого используется набор 105 ч 106 параллельных микроканалов, каждый из которых работает независимо, как отдельный канальный электронный умножитель.

Канальный умножитель – это трубка с длинной, превышающей диаметр в десятки раз (отношение длины к диаметру – 50). Трубка имеет проводящие стенки, благодаря чему приложенная между торцами разность потенциалов разносится током по всей ее длине.

Внутри канала – вакуум. Вторично-электронным эмиттером служит внутренняя поверхность канала. Продольное электрическое поле внутри канала сообщает электрону скорость в направлении к анодному концу трубки. Электрон ударяется о стенку раньше, чем вылетит через анодное торцевое отверстие. Выбитые при этом вторичные электроны также двигаются в сторону анода и в свою очередь соударяются со стенкой и так далее.

В качестве покрытия используется пленка металлического свинца либо ванадиево-фосфатного стекла. Коэффициент усиления достигает 108 ч 109, диаметр канала – 1 мм, длина – 50 мм, напряжение – около 2 кВ.

При столь большом усилении есть опасность ионной обратной связи: попадание ионов на вход вызывает повторный электронный сигнал.

Для предотвращения этого эффекта канальным электронным умножителям придают изогнутую форму (спираль). Большими преимуществами умножителей яркости с микроканальными пластинками являются: 1) их компактность и легкая стыковка с обычной фотоаппаратурой; 2) ускоряющее напряжение сравнительно невелико, схема питания предельно проста, не требует магнитного поля и подфокусировок; 3) пространственное разрешение определяется только геометрией набора микроканалов, не зависит ни от напряжения, ни от усиления; 4) они исключают локальные пересветки и ослепление наблюдателя. МКП отличаются высокой механической прочностью и не боятся контакта с атмосферным воздухом, их можно переносить из прибора в прибор.

Возможности нашего зрения рассматривает система тепловидения. Тепловидение позволяет получать видимое изображение по тепловому (инфракрасному) собственному или отраженному излучению, к которому не чувствителен наш глаз. Прибор, чувствительный к фотонам, испускаемым при тепловом излучении, называется прибором «ночного видения». Оптические сигналы преобразуются в электрические, которые затем усиливаются и воспроизводятся в виде изображения на видеоконтрольном устройстве.

В 70-х годах были созданы принципиально новые, более простые устройства, в которых тепловое изображение, без преобразования в электрические сигналы, проецируется на экран, покрытый тонким слоем вещества, изменяющего свои оптические характеристики (коэффициент отражения или пропускания, интенсивность или цвет свечения) под воздействием теплового излучения. На экране можно наблюдать видимые изображения и фотографировать их. В качестве температурно-чувствительных веществ используются жидкие кристаллы, кристаллические люминофоры, полупроводниковые пленки, тонкие магнитные пленки.

Системы тепловидения применяются для обзора местности, охраны окружающей среды, обнаружения лесных пожаров, контроля качества продукции. Преимуществом систем тепловидения является их способность работать в любое время суток и в неблагоприятных погодных условиях.

Дата добавления: 2015-05-06