Внешний фотоэффект. Явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия передается непосредственно электронам вещества

Явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия передается непосредственно электронам вещества, и они выходят в окружающее пространство, называется внешним фотоэффектом.

Экспериментально были установлены следующие закономерности фотоэффекта:

1) максимальная энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света;

2) максимальная энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающего света;

З) число фотоэлектронов пропорционально интенсивности света;

4) существует некоторое пороговое значение частоты n0 которое называется красной границей фотоэффекта – при частоте света n<n0 фотоэффект прекращается;

5) фотоэффект практически безынерционен.

Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения волновой природой света. По этой теории энергия фотоэлектронов должна быть пропорциональна интенсивности падающего света, а красной границы вообще не должно было существовать.

Правильная теория фотоэффекта была дана А. Эйнштейном (1905 г.), который исходил из корпускулярных представлений о природе света. Согласно А. Эйнштейну явление фотоэффекта представляет собой неупругое соударение кванта света (фотона) с одним из электронов вещества, в результате которого электрон, получивший избыточную энергию, может выйти за пределы вещества. Закон сохранения энергии в этом процессе описывается уравнением Эйнштейна.

(17)

где hn — энергия фотона; А — работа выхода электрона из вещества.

Из уравнения (17) видно, что mv²/2 ~ n, тем самым объясняется вторая закономерность фотоэффекта. Существование красной границы фотоэффекта объясняется тем, что по мере уменьшения частоты падающего света уменьшается также кинетическая энергия электронов и при некоторой частоте n=n₀ mv²/2= 0 фотоэффект прекращается.

Пороговою частоту n₀ можно найти из условия hn₀=A откуда,

Интенсивность света определяется соотношением I=Nhn где N— число квантов света и поэтому с ростом интенсивности света возрастает число актов взаимодействия фотонов с электронами (и растет число вылетевших электронов (но не их энергия). Этим объясняется первая и третья закономерноcти фотоэффекта.

Уравнение (17) описывает так называемый однофотонный фотоэффект, когда электроном поглощается лишь один фотон (вероятность одновременного поглощения электроном двух и более фотонов ничтожно мала). В связи с созданием мощных источников монохроматического излучения (лазеров), был обнаружен многофотонный фотоэффект. В этом случае электрон может одновременно поглотить не один, а несколько фотонов. Уравнение Эйнштейна для многофотонного фотоэффекта принимает вид

При этом пороговая частота сдвигается в область малых частот.

Явление внешнего фотоэффекта находит широкое применение в технике для преобразования световых сигналов в электрические с последующей их обработкой. Рассмотрим основные типы фотоэлектрических приборов, использующих внешний фотоэффект.

1. Вакуумные фотоэлементы — это фотокатод (чаще всего из щелочного металла) и анод, помещенные в прозрачную колбу, в которой создается высокий вакуум. Преимущества этих фотоэлементов следующие: строгая пропорциональность между силой фототока и световым потоком; малая инерционность (t~10^-9…10^-10 с); отсутствие усталостных явлений; высокое внутреннее сопротивление. Основной недостаток — невысокая чувствительность ~1…10 мкА/лм. Область применения — точные измерения световых потоков в лабораторных условиях.

2. Газонаполненные фотоэлементы отличаются от вакуумных тем, чтоих баллов заполняется инертным газом при невысоком давлении (P»0,1…1 Па).

При прохождении через газ фотоэлектронов последние ионизируют его молекулы, что приводит к возрастанию тока и несколько более высокой чувствительности ~10…100 мкА/лм. Газонаполненные фотоэлементы также обладают строгой пропорциональностью между световым потоком и силой тока, а их инерционность (t~10^-9…10^-10 с) достаточна для большинства практических применений. Вследствие протекания необратимых процессов адсорбции газа-наполнителя стабильность их работы несколько ниже, чем у вакуумных фотоэлементов.

3

Рис. 4

3. Фотоэлектронные умножители (рис. 4). В этих приборах для усиления фототока используется явление вторичной электроннойэмиссии, которое состоит в выбивании из металла вторичных электронов при его бомбардировке ускоренными электронами. При попадании света на фотокатод К из него выбиваются электроны, которые ускоряются электри­ческим полем при движении к электроду Э1, заряженному положительно, и выбивают из него вторичные электроны. Далее этот процесс повторяется на следующих электродах Э2-ЭN и в результате в цепи анода возникает значительный ток. Чувствительность фотоумножителей весьма велика и составляет 0,1...1 А/лм. Их недостатки: сложность конструкции и необходимость использования высоких напряжений (U ~ 1…1,5 кВ). Область применения — регистрация очень слабых световых потоков.