Лабораторная работа № 3-5 Изучение внешНего фотоэффекта Цель работы: Определить красную границу фотоэффекта и оценить порог внешнего фотоэффекта для полупроводникового фотокатода.

Оборудование: Стенд С3-ОК01, блок питания ИПС1, мультиметры.

Основы Теории

5.1. Внешний фотоэффект в металлах. Законы фотоэффекта

Явление вырывания электронов из вещества при освещении его светом получило название фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Различают внешний и внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте электроны освобождаются светом из поверхностного слоя вещества и переходят в другую среду, в частности в вакуум. При внутреннем фотоэффекте оптически возбуждённые электроны остаются внутри освещаемого тела, не нарушая электрической нейтральности последнего.

Электроны, вырванные под действием света, называют фотоэлектронами. Фотоэлектрическими свойствами обладают как металлы, так и диэлектрики, а также полупроводники и электролиты, причём необходимым, но не достаточным условием фотоэффекта является заметное поглощение используемого света в поверхностном слое освещаемого тела. Фотоэлектрический эффект с данного вещества сильно зависит от состояния его поверхности. Для получения однозначных результатов исследование необходимо проводить в хорошем вакууме, предварительно тщательно очистив рабочую поверхность.

Экспериментально установлены три основных закона внешнего фотоэффекта, справедливые для любого материала:

1. закон Столетова: количество электронов, испускаемых в единицу времени (сила фототока в режиме насыщения), пропорционально интенсивности света;

2. закон Эйнштейна: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности;

3. для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует «красная граница» внешнего фотоэффекта, т.е. такая частота света_кр, меньше которой (  _кр) фотоэлектронная эмиссия не наблюдается.

Установленные опытным путем законы внешнего фотоэффекта не могут быть объяснены с позиций волновой теории света. Все эти закономерности находят исчерпывающее объяснение на основе квантовой теории света предложенной М. Планком (1900 г.) и развитой в дальнейшем А. Эйнштейном (1905 г.): при облучении вещества светом электроны получают энергию не непрерывно, а порциями (квантами), энергия каждой порции (кванта) равна

= h, (5.1)

где h≈6,625·10^-34 Дж·с – постоянная Планка;  – частота световой волны.

Позже эти порции энергии света были названы фотонами.

Взаимодействуя с электроном вещества, фотон может обмениваться с ним энергией и импульсом. Такой процесс напоминает удар шаров и поэтому образно называется столкновением. Фотоэффект возникает при неупругом столкновении фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передаётся электрону. Таким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно, а сразу - в результате единичного акта столкновения. Этим объясняется безынерционность фотоэффекта.

Чем больше интенсивность света определенной частоты, тем больше фотонов с определенной энергией падает на поверхность вещества в единицу времени и, следовательно, больше выбивается электронов. Если все выбитые электроны являются носителями электрического тока в цепи (режим тока насыщения), то сила этого тока будет пропорциональна интенсивности света. То есть действительно должен выполняться закон Столетова.

Если энергии одного фотона не достаточно, чтобы выбить электрон, то фотоэффекта не будет, сколько бы таких фотонов ни падало на вещество. При этом предполагается, что электрон может поглотить только один фотон; вероятность же одновременного поглощения двух и более фотонов ничтожно мала. Следовательно, действительно должна существовать «красная граница» фотоэффекта.

Фотоэффект с поверхности металлов объясняется взаимодействием фотонов с валентными электронами металла. Валентные электроны в металлах являются «свободными», в том смысле, что они не связаны с отдельными атомами, хотя они остаются связанными с кристаллической решеткой в целом. Благодаря этому валентные электроны в металлах могут легко перемещаться по всему объему металла. Для того чтобы «свободный» электрон мог покинуть металл и выйти в окружающее пространство, ему необходимо сообщить энергию, равную энергии связи электрона с кристаллической решеткой. Эту энергию называют работой выхода А_В. Работа выхода зависит от материала, состояния его поверхности.

При взаимодействии фотона со «свободным» электроном металла фотон отдает свою энергию h «свободному» электрону и прекращает свое существование. В соответствии с законом сохранения энергии при фотоэффекте часть энергии h, полученной от фотона, фотоэлектрон затратит на выход из металла (т.е. совершение работы выхода А_В), а остаток энергии (при h > А_В) сохранит в виде кинетической энергии. При выходе фотоэлектронов из металла возможны, помимо затрат на работу выхода, и другие побочные энергетические потери, например, на нагревание металла. Поэтому разные фотоэлектроны обладают различной кинетической энергией. Наибольшей кинетической энергией обладают электроны, не испытавшие побочных потерь энергии. Для таких фотоэлектронов уравнение сохранения энергии принимает вид

, (5.2)

где – максимально возможная кинетическая энергия выбитого электрона при данной энергии поглощенного фотона h и работе выхода А_В. Формула (5.2) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Так как началу фотоэффекта соответствует очевидное условие Е_К.max =0, то из уравнения Эйнштейна следует выражение для красной границы фотоэффекта:

. (5.3)

Выражая из (5.2) максимальную кинетическую энергию электрона получаем, что она действительно пропорциональна частоте света и не зависит от интенсивности светового потока:

. (5.4)