Фотоэлектронная эмиссия и фотоэффект

Фотоэффект — явление выхода электронов из связей в атомах вещества под воздействием электромагнитного излучения. Разли­чают внешний и внутренний фотоэффект. Если электроны под дей­ствием излучения выходят из вещества во внешнюю среду, фото­эффект называют внешним. Если же они, освобождаясь от связей в атомах, не выходят во внешнюю среду, а лишь свободно переме­щаются внутри вещества, улучшая его проводимость, имеет место внутренний фотоэффект.

Сам процесс выхода электронов из вещества во внешнюю среду под действием света составляет фотоэлектронную эмиссию. Деталь­ное исследование этого явления провел в 1888 г. русский физик А. Г. Столетов, открывший существование фототока и установив­ший следующие основные законы фотоэмиссии.

1.Фототок I _ф прямо пропорционален падающему на его поверх­ность световому потоку I _ф=εФ, где ε — коэффициент пропорцио­нальности.

2.Кинетическая энергия (скорость) электрона, вылетевшего с фотокатода, пропорциональна частоте падающего излучения и не зависит от его интенсивности.

Теоретическое обоснование этих законов впоследствии было да­но на основании квантовой теории света, согласно которой все те­ла поглощают и излучают световую энергию отдельными порция­ми— квантами (фотонами). Энергия одного кванта

W_кв=hv₁. (23)

где h =6,62-10^-34 Дж*с —постоянная Планка;

v — частота световых колебаний.

Энергия кванта света, попадая на поверхность металла, погло­щается электроном. За счет этой энергии электрон с массой т совершает работу выхода W ₀ и приобретает кинетическую энергию, со­ответствующую начальной скорости υ₀. В соответствии с уравнени­ем Эйнштейна энергия кванта

W _кв = hv = W ₀ + mυ₀²/2.

Очевидно, кинетическая энергия вылетевшего из металла элект­рона

mυ₀²/2= W _кв- W ₀= hv — W ₀. (24)

Из уравнения следует, что электрон после поглощения энергии одного кванта W _кв может вылететь из металла, если работа выхода W ₀ будет меньше кванта, так как лишь при этих условиях началь­ная скорость υ₀, а следовательно, и кинетическая энергия электрона

mυ₀²/2= W _кв- W ₀> 0 или mυ₀²/2= hv-W ₀>0.

При снижении частоты v колебаний светового излучения умень­шается энергия световых лучей, следовательно, будет уменьшаться начальная скорость электронов, вылетающих с фотокатода. Для каждого материала фотокатода, обладающего определенной рабо­той выхода W ₀, существует минимальная (предельная) частота све­товых колебаний v ₀, при которых еще возможна фотоэмиссия. В со­ответствии с выражением (23) эта минимальная частота v ₀= W ₀/ h.

При облучении фотокатода колебаниями более низкой частоты фотоэмиссия невозможна. С увеличением частоты световых коле­баний (при данной работе выхода W ₀) возрастает начальная ско­рость υ₀, а следовательно, и кинетическая энергия фотоэлектронов m υ₀²/2= hv — W ₀= h (v — v ₀), что подтверждают положения второго закона фотоэмиссии. Очевидно, при большей интенсивности свето­вого потока большее количество электронов приобретает квант энергии и сможет выйти из металла, что соответствует положениям первого закона.

Явление внешнего фотоэффекта используется в электровакуум­ных фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях.