2. Внешний фотоэффект

Явление испускания веществом электронов под действием излучения называют внешним фотоэффектом. Испускание веществом каких-либо частиц называют эмиссией. Поэтому внешний фотоэффект называют фотоэлектронной эмиссией. Поток излучения включает электромагнитные волны от радиоволн до гамма  квантов. Описание внешнего фотоэффекта было дано Герцем и затем Столетовым.

Рис. 1

В вакуумном стеклянном сосуде находятся два металлических электрода, например, анод (А)  медный, катод (К)  цинковый, которые включены в электрическую цепь, состоящую из гальванометра и источника тока (рис. 1). При отсутствии освещения фототок равен нулю. Если на катод направить световой поток определенной частоты, то гальванометр покажет наличие тока в цепи, т. к. из катода вырываются электроны, которые, достигнув анода, замыкают цепь.

Столетов детально исследовал явление фотоэффекта и установил законы:

1. Сила фототока пропорциональна интенсивности падающего излучения.

Интенсивность излучения влияет лишь на число вырванных электронов.

2. Максимальная скорость покидающих вещество электронов зависит от частоты падающего на него света.

Классическая физика не смогла объяснить явление фотоэффекта. Для объяснения фотоэффекта используются квантовую физику. Эйнштейн предположил, что фотоны не только испускаются порциями (квантами), но распространяются и поглощаются в виде квантов с энергией =h. Им была предложена формула, которая выражает закон сохранения энергии для фотоэффекта:

, (8)

где А_в  работа выхода;   частота излучения; h = 6,6310^34 Джс  постоянная Планка;  кинетическая энергия вырванного электрона из металла. Зависимость фототока от приложенного напряжения приведена на рис. 2.

Рис. 2

Электроны, покидающие металл, могут иметь кинетическую энергию, которая меньше работы выхода, необходимой для преодоления приложенного напряжения. При некотором значении задерживающего напряжения ( U_з) фототок прекращается. В этом случае максимальная скорость электронов, освобождаемых светом, определяется из равенства

, (9)

где q_e  заряд электрона; m  его масса.

Для каждого конкретного вещества существует минимальная частота излучения (красная граница фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не возникает.

Формула (8) в этом случае записывается в виде:

h_кр  А_в. (10)

Фотоэлектрон при прохождении через поверхность металла должен преодолеть потенциальный барьер, на что затрачивается энергия, равная работе выхода (табл. 1). Фотоэффект из атома, молекулы или конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации; в конденсированной среде  работой выхода.

Минимальная энергия фотона, необходимая для освобождения электрона, называется потенциалом ионизации (_и), который зависит от вида связи электрона с атомом (молекулой).

Таблица 1

Металл	Ав, эВ	кр, мкм	и, В
Барий Медь Цезий	2,56 4,36 1,94	0,784 0,284 0,639	5,19 7,58 3,87

При исследовании фотоэффекта было установлено, что свободный электрон не может поглотить фотон, так как это запрещается законами сохранения импульса и энергии. Тамм и Шубин предложили, что при взаимодействии кванта света с электроном необходимо участие третьего тела. Роль такого тела могут выполнять, например, примеси, неоднородности или нарушения периодичности структуры вещества, вызванные колебаниями положительных ионов, образующих кристаллическую решетку. Таким телом может быть и граница раздела фаз. Следовательно, в зависимости от механизма возбуждения электрона внешний фотоэффект разделяют на объемный и поверхностный, которые могут объединяться, при определенных условиях, в один механизм. Наконец, существует канал передачи энергии электрону не непосредственно от фотона, а через возбуждение коллективных движений в кристалле. Согласно теории коллективные движения в кристалле связаны с электронным газом. Волны, отвечающие изменению плотности электронного газа, реально наблюдаются, т. е. это волны изменения плотности заряда в объеме твердого тела. Под влиянием внешних воздействий электронный газ начинает совершать гармонические колебания с большой длиной волны. Со стороны положительных ионов кристаллической решетки возникает возвращающая сила, действующая на электронную систему.

Рис. 3

В результате электроны начинают колебаться с некоторой частотой, называемой плазменной. Квадрат плазменной частоты _пл10¹⁵ с^-1 в металлах пропорционален числу электронов в зоне проводимости.

Таким образом, однородные плазменные колебания  один из примеров волновых движений в электронном газе. Известно, что электромагнитным волнам соответствуют частицы  фотоны. Поэтому плазменным волнам можно поставить в соответствие некоторые кванты колебаний, называемые плазмонами с энергией  = h_пл. Недавно было установлено, что электромагнитные волны достаточно эффективно возбуждают плазменные волны в металлах, т. е. фотоны могут возбуждать плазмоны. Энергия коллективных плазменных колебаний может быть передана одному из электронов металла (плазмон возбуждает электрон), который покинет металл.

Важный вклад в теорию фотоэмиссии внес Фаулер, который вычислил частотную и температурную зависимости вблизи красной границы фотоэффекта.

Согласно зонной теории твердых тел электроны заполняют уровни зоны проводимости в металлах, начиная от расположенного вблизи ее дна, уровня Ферми. На рис. 3 приведено схематическое изображение границы металл-вакуум при фотоэмиссии.

В металле показана только зона проводимости "С". W_F  энергия Ферми; W_вак  энергетический уровень электрона, расположенный в вакууме;

W_k  кинетическая энергия электрона.

Рис. 4

Для того чтобы перевести электрон из металла в вакуум, нужно затратить энергию  = h, т. е. совершить минимальную работу для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум. Работы Фаулера позволили понять явления, связанные с рождением частиц при фотореакциях на ядрах. Фотоэффект наблюдается в полупроводниках, растворах и т. д.

На основании уравнения (8) объясняется, что интенсивность света определяется только числом квантов, падающих на единицу поверхности за 1 с, а количество фотоэлектронов пропорционально числу падающих квантов.

Однако только малая часть квантов поглощается электроном, остальные поглощаются кристаллической решеткой, нагревая ее. КПД внешнего фотоэффекта металлов 0,1%. Число электронов, покидающих металл, в пересчете на один падающий фотон, называют квантовым выходом, который для металлов возрастает с увеличением частоты падающего фотона.

Квантовый выход определяет чувствительность фотоэлементов к свету. Фотоэффект  безынерционен, т. к. время вылета электрона из металла после его освещения составляет 10^9 с. Квантовый выход для всех веществ имеет селективный (избирательный) характер, который напоминает резонансные явления. Это следует из того, что селективность зависит от направления поляризации света и угла падения лучей на поверхность вещества.

Если падающий свет поляризован так, что электрический вектор совершает колебания параллельно плоскости падения (Е_), то эффект резко усиливается.

При повороте плоскости поляризации на 90⁰ (Е_) селективный эффект исчезает (рис. 4), где кривая 1  спектральная характеристика фототока, когда падающий свет поляризован и вектор совершает колебания параллельно плоскости падения; кривая 2 спектральная характеристика фототока, когда вектор падающего поляризованного света совершает колебания перпендикулярно плоскости падения.

Рис. 5

В случае 1 вектор имеет составляющую, перпендикулярную поверхности металла, а случае 2 нет.

Величина селективного фотоэффекта по фототоку резко возрастает с увеличением угла падения (рис. 5).