1.4. Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронной эмиссией (или внешним фотоэффектом) называют явление испускания электронов веществом при воздействии на него электромагнитным излучением оптического диапазона, которое часто называют светом, если речь идет о диапазоне длин волн от 0,38 до 0,78мкм, в котором излучение воспринимается человеческим зрением. Внешним эффектом его называют потому, что генерированные светом электроны испускаются веществом (фотоэмиттером или фотокатодом) во внешнюю среду. Проявление фотоэлектронной эмиссии впервые наблюдал в 1887г. Г. Герц в опытах с газовым разрядом. Он установил, что при освещении газа напряжение возникновения разряда уменьшается. Более детально указанное явление было изучено А.Г. Столетовым. Для проведения экспериментов им использовался прибор, содержащий стеклянную колбу, внутри которой располагались два электрода – катод и анод. Из колбы был удален воздух. При приложении к электродам разности потенциалов и освещении катода в цепи появлялся ток, названный фототоком, величина которого, как было установлено Столетовым, пропорциональна интенсивности излучения (мощности излучения в единичной площади поперечного сечения пучка фотонов) при условии постоянства его спектрального состава:

(11)

В выражении (3), известном как закон Столетова, I_ф– фототок, S - коэффициент пропорциональности, называемой чувствительностью фотокатода, I – интенсивность излучения. Полярность приложенного к электродам напряжения позволила Столетову сделать заключение о том, что фототок представлял собой поток отрицательно заряженных частиц. С открытием годом позже Дж. Томсоном электронов стало ясно, что это были именно они.

Свет, как известно, может одновременно рассматриваться и как волновой процесс, и как поток частиц – квантов (от лат. квантум – количество, в данном случае – количество энергии) излучения или корпускул, называемых также фотонами. Такая двойственность (дуальность) объяснялась тем, что для одних условий свет проявлял себя как поток частиц (прямолинейность распространения), а для других – как волна (интерференция, дифракция). Понятие кванта было введено Максом Планком при объяснении результатов экспериментов, которые нельзя было объяснить с точки зрения волновых представлений. Волновая теория также не смогла объяснить и внешний фотоэффект. В соответствии с волновыми представлениями энергия излучения равномерно распределяется по волновой поверхности. Та ее доля, которая по расчетам приходилась на площадь эмитирующей поверхности вещества (фотокатода) оказывалась существенно меньше работы выхода. И только корпускулярная модель света позволяла объяснить явление фотоэлектронной эмиссии.

С точки зрения квантовой физики фотон – это частица микромира, не имеющая массы покоя, но обладающая энергией и импульсом. Энергия кванта E_ф

(12)

где h– постоянная Планка, [Дж·c], ν- частота фотона, [1/с].

Представление оптического излучения в виде волнового процесса или потока частиц не исключают друг друга. Это различные описания одного и того же физического явления, пригодные в разной степени для различных диапазонов характеризующих его (излучение) параметров. Так, важнейшими характеристиками фотона как частицы являются энергия и импульс, в то время как для волнового процесса – длина волны. Разделив обе части выражения (12) на скорость распространения света в вакууме, получим:

, (13)

где с – скорость света, р – импульс, λ – длина волны излучения. Следовательно, выражение (13) объединяет обе теории, поскольку в левой его части важнейший параметр частицы – импульс, а в правой – параметр волнового процесса - длина волны. Электромагнитное излучение (радиоволны) метрового диапазона (λ м) огибает земной шар, что свидетельствует о волновой его природе. Излучение же дециметрового и сантиметрового диапазонов (УКВ,FM,TV) распространяются прямолинейно, как поток движущихся частиц.

При облучении вещества светом фотоны отдают свою энергию электронам его атомов. Если эта энергия больше работы выхода, то электроны могут покинуть вещество с некоторой начальной энергией (скоростью). Рассматривая взаимодействие света с твердым телом как индивидуальные акты поглощения квантов света (фотонов) электронами, А. Эйнштейн в 1905г. показал, что максимальное значение этой энергии Е_мах не зависит от интенсивности излучения, а зависит только от частоты фотона:

Е_мах (14)

где – максимальная начальная скорость электрона, покидающего вещество эмиттера. Если приравнять левую часть (14) нулю, то hν = eφ, и мы получим некоторые граничные значения частоты фотона ν_о и длины волны λ_о:

ν_о= λ_о= ) (15)

При такой длине волны излучения электроны преодолели действие возвращающих сил, но находятся на поверхности твердого тела, имея нулевую начальную энергию (скорость). Частота ν_о или длина волны λ_о определяют длинноволновую или, как ее еще называют, красную границу внешнего фотоэффекта. Если λ > λ_о, то эмиссия из вещества невозможна, поскольку энергия кванта меньше работы выхода. Если же λ< λ_о, то даже при отсутствии анодного поля (U_а = 0) электроны достигают анода, создавая начальный анодный ток (режим 2 рис. 6). Если включить источник анодного напряжения с полярностью «минус» на аноде, то при некотором его значении, называемом напряжением задержки (U_З), потенциальный барьер анодного поля возрастет настолько, что ни один электрон – даже с самой высокой энергией - не сможет его преодолеть, и анодный ток прекратится.

Данная ситуация описывается уравнением Эйнштейна:

φ (16)

или

φ. (17)

Выражение (16) является линейной функцией вида y=kx- b, где k – угловой коэффициент, х – переменная ν, b – константа (потенциал выхода φ). Зависимость (16) была экспериментально проверена Р. Милликеном. Фотокатод подвергали облучению квантами различной частоты и измеряли напряжение задержки. Если в уравнение (16) подставить v_мах=0, то получим «красную границу» - ν₀ ν =0, что лишено физического смысла, U_З =−φ. Построенная по этим двум точкам прямая позволит по тангенсу угла её наклона к оси ν определить экспериментальную величину постоянной Планка (рис. 7.).

Всё вышесказанное справедливо лишь для «малофотонных» излучений, т.е. для малых интенсивностей потоков. В случае высо-

ких интенсивностей излучения, которые, к примеру, наблюдаются у лазеров, «красная граница» оказывается «размытой», т.е. имеет место не одно какое-то значение, а граничный диапазон длин волн.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоприемниках - приборах, преобразующих энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию. Простейший прибор такого рода, называемый фотоэлементом, является диодом, т.е. имеет два электрода – фотокатод (фотоэмиттер) и коллектор испускаемых им электронов – анод. Анод и катод находятся внутри стеклянного корпуса (баллона), в котором имеет место разрежение высокой степени. Между анодом и катодом создается электрическое поле, направленное таким образом, чтобы электроны, испущенные катодом, устремлялись на анод. Для этого к аноду относительно катода подключается источник постоянного анодного напряжения («плюс» на аноде). Условное обозначение фотоэлемента на принципиальных схемах приведено на рис. 6б. Находят применение также фотоумножители – вакуумные фотоприемники, обладающие на несколько порядков более высокой – чем у фотоэлементов - чувствительностью, что позволяет регистрировать даже отдельные фотоны. Представление о чувствительности человеческого глаза можно составить, если учесть, что безопасная для глаз освещенность имеет место при темпе поглощения одним квадратным сантиметром поверхности 2 фотонов в секунду при длине волны излучения (наиболее комфортной для зрения) 555нм. Излучение примерно такой интенсивности генерирует экран телевизора в полумраке. В то же время установлено, что глаз начинает реагировать на излучение с указанной длиной волны при интенсивности 200 фотонов в секунду.