ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Спектральная зависимость фотоэлектронной эмиссии

Лабораторная работа № 3-6

Изучение ВНЕШНего ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: Определить красную границу фотоэффекта, оценить порог внешнего фотоэффекта для полупроводникового фотокатода.

Оборудование: Стенд С3-ОК01, блок питания ИПС1, блок мультиметров, вольтметр АВ1, набор светодиодов, фотоэлектронный умножитель.

Краткая теория

Законы фотоэффекта

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется явление испускания электронов веществом под действием света, поглощаемого этим веществом.

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

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

2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует «красная граница» внешнего фотоэффекта n_кр, т.е. такая частота света, меньше которой (n < n_кр) фотоэлектронная эмиссия не наблюдается;

3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).

Все эти закономерности находят исчерпывающее объяснение на основе фотонных представлений о свете (М. Планк, 1900г.; А. Эйнштейн, 1905г.).

При облучении вещества светом электроны получают энергию не непрерывно, а порциями (квантами). Энергия каждой порции (кванта) равна

e= hn, (1)

где h≈6,625·10^-34 Дж·с – постоянная Планка;

n – частота световой волны.

Позже эти порции энергии света были названы фотонами.

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.

Наименьшаяэнергия, необходимая для освобождения электрона из вещества, называется работой выхода А_В.Тогда для электрона, которому достаточно для освобождения именно этой энергии и который поглотил фотон с энергией hn, можно записать:

, (2)

где – максимально возможная кинетическая энергия выбитого электрона при данной энергии поглощенного фотона hn и работе выхода А_В. Эта формула является, по сути, законом сохранения энергии для однофотонного процесса и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

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

. (3)

Выражая из (2) максимальную кинетическую энергию электрона получаем, что она действительно пропорциональна частоте света и не зависит от интенсивности светового потока:

. (4)

Спектральная зависимость фотоэлектронной эмиссии

Одной из важнейших характеристик фотоэмиттера является его квантовая эффективность (квантовый выход) Y. Пусть на фотоэмиттер падает в единицу времени n>>1 фотонов. Тогда число электронов n_e, испускаемых этим фотоэмиттером за единицу времени, равно

. (5)

Иначе говоря, квантовый выход Y равен отношению числа электронов n_e, испускаемых фотоэмиттером за единицу времени, к тому числу фотонов, которые падают на фотоэмиттер за это время

Если энергия фотона меньше значения, соответствующего красной границе фотоэффекта n_кр, квантовый выход равен нулю (фотоэффект не наблюдается). При увеличении частоты света (n >n_кр) квантовый выход быстро растет, достигая максимума при некоторой частоте n₁, затем уменьшается; при еще большем росте частоты может опять наблюдаться медленный рост квантового выхода. Указанный характер зависимости Y(n) связан с энергетическими состояниями свободных электронов и наблюдается у металлов.

Для большинства металлов максимальное значение величины Y не превышает 0,1 при энергии фотона hn≈10÷20 эВ. Кроме того, красная граница фотоэффекта для щелочных металлов соответствует энергии фотона e_кр≈3÷5 эВ, а для остальных металлов еще больше e_кр≈10÷15 эВ. Как известно, видимая область света простирается от длины световой волны l≈0,7 мкм (красный свет) до длины волны l≈0,3 мкм (фиолетовый свет). Это соответствует диапазону энергий фотона от 1,8 до 4,1 эВ. Это означает, что металлические фотоэмиттеры нефоточувствительны в видимой области спектра и, кроме того, имеют малый квантовый выход. Поэтому чистые металлы практически не используются в качестве фотоэмиттеров в электровакуумных приборах.

Эффективные фотоэмиттеры в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра созданы на основе полупроводниковых материалов. При этом следует отметить, что для полупроводников в уравнении Эйнштейна (2) вместо работы выхода А_В используют другую величину – порог фотоэффектаW :

hn =W + E_K.max. (6)

Это связано с более сложным, чем у металлов характером энергетических состояний электронов, способных покинуть полупроводник при фотоэффекте. Существенное влияние на фотоэмиссию оказывает примесь, добавленная в полупроводник, и состояние его поверхности.

При использовании полупроводниковых фотоэмиттеров удается увеличить максимальное значение квантового выхода Y_max до 0,5 при пороге фотоэффекта W=1÷2 эВ.