Московский Государственный Технический Университет
им. Баумана
Фотоэлектронная эмиссия.
Эффективные фотокатоды
Студент ________Григорьев С.А
Факультет “Энергомашиностроение”
Москва
Оглавление
Введение
1)Теория фотоэффекта
2)Спектральные характеристики фотокатода
3) Работа выхода
4)Распределение электронов в металле
5)Селективный фотоэффект
6) Квантомеханическая теория фотоэффекта
7) Применение
8) Основные закономерности фотоэффекта
9) Литература
________________________________________________________
Среди разнообразных явлений в которых проявляется воздействие света на вещество важное место занимает фотоэлектрический эффект т.е. испускание электронов веществом под действием света Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем “фотоэлектрический” эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразных областях науки и техники. Открытие фотоэффекта следует отнести к 1887 г., когда Герц обнаружил что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка находящегося под напряжением облегчает проскакивание искры между ними. Явление обнаруженное Герцом можно наблюдать на следующем легко осуществимом опыте (рис.1.). Величина искрового промежутка F подбирается таким образом, что в схеме состоящей из трансформатора Т и конденсатора С искра проскакивает с трудом (один-два раза в минуту)Если осветить электроды F сделанные из чистого цинка светом ртутной лампы Hg, то разряд конденсатора значительно облегчается: искра начинает проскакивать довольно часто, конечно мощность трансформатора достаточно для быстрой зарядки конденсатора С. Поместив между лампой и электродами F стекло G мы преграждаем доступ ультрафиолетовым лучам и явление прекращается.Систематическое исследование Гальвакса, А.Г. Столетова и др. (1885 г.)выяснили что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света попадая в электрическое поле между электродами, заряды эти ускоряются, ионизируют окружающий газ и вызывают разряд. А.Г. Столетов осуществил опыты по фотоэффекту применяв впервые небольшие разности потенциалов между электродами. Схема опытов применяемая Столетовым, изображена на рис.
с
G
+ -
Основными результатами исследований Столетова, имеющие значение и в наше время, были следующие заключения:
1) Наиболее эффективно действует ультрафиолетовые лучи.
2)Сила фототока пропорциональна создаваемой освещенности тела (разряжающее действие при прочих равных условиях пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряжаемую поверхность.)
3)Под действием света освобождается отрицательные заряды.
Цинковая пластинка, соединенная с электродами и заряженная отрицательно, освещенная ультрафиолетовым светом, быстро разряжает электроскоп, та же пластинка, заряженная положительно сохраняет свой заряд, не смотря на освещение. При тщательном наблюдение с помощью гальванометра большой чувствительности можно заметить, что незаряженная пластинка под действием падающих лучей заряжается положительно, т.е. теряет часть своих отрицательных зарядов, первоначально нейтрализовавших ее положительный заряд. Несколько лет спустя (1898 г). Леонардом и Томсоном были произведены определения ?/? для освобождаемых электронов по отклонению их в электрическом и в магнитном полях. Эти измерения дали для ?/? значения 1, 76•СГСМ, доказав, что освобожденные светом отрицательные заряды -электроны.
Фотоэлектронная эмиссия металлов
Фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэлектрическим эффектом
называется испускание электронов поверхностью твердого тела под действием падающего на него электромагнитного излучения.
Основными законами фотоэффекта можно считать следующие
1) пропорциональность фототока интенсивности светового потока J,
вызывающего фотоэффект ( J ) при условии неизменности спектрального
состава излучения (Закон Столетова);
2) наличие длинноволновой (красной) границы области спектра излучения
вырывающего фотоэлектроны из данного фотокатода ; лишь излучения с длиной волны т.е. с частотой C/ могут вырывать фотоэлектроны;
3) независимость кинетической энергии фотоэлектронов от интенсивности света и линейная зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов (), вырванного из данного фотокатода светом некоторой частоты , от этой частоты :
4) безынерционность фотоэффекта: установлено, что фототок появляется и исчезает вместе с освещением, запаздывая не более чем
на
Качественное объяснение с волновой точки зрения на первый взгляд не представляет трудности. В самом деле это объяснение могло бы выглядеть так ; падающая электромагнитная волна вызывает вынужденные колебания электронов в металле; при резонансе между собственным периодом колебания электронов и периода падающей волны амплитуда электрона становится настолько большой что он может вырваться за пределы поверхности металла. Очевидно, что если эта картина верна, то кинетическая энергия с какой электрон покидает метал, должна заимствоваться у падающей волны, и поэтому естественно следует ожидать, что энергия фотоэлектрона должна находиться в прямой зависимости с интенсивностью падающего света. Многочисленные опыты показали, что энергия фотоэлектронов абсолютно не зависит от интенсивности света, повышение интенсивности увеличивает лишь число фотоэлектронов и при том в количестве строго пропорциональном интенсивности - но не их скорости. Последнее зависит от частоты падающего света, а именно, с увеличением частоты линейно возрастает энергия фотоэлектронов. Все эти законы фотоэффекта представляются непонятными с точки зрения волновой природы света. Независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности света пытались объяснить тем, что свету приписывалось роль “спускового механизма ” т.е. предполагалось, что электрон набирает свою энергию не за счет падающей волны, но за счет тепловых движений в металле, так что роль света сводится только к освобождению электрона. Однако при этом остается совершенно не понятным влияние частоты света и кроме того, если бы это было верно фотоэффект должен был бы сильно зависеть от температуры металла. Объяснение основных закономерностей фотоэффекта было дано на основе фотонной теории света (Эйнштейна, 1905 г.). Фотон, обладающий энергией поглощается электроном фотокатода в единичном акте взаимодействия, повышая его энергию на величину Если до поглощения фотона кинетическая энергия электрона была , где граница Ферми, а – положительная или отрицательная добавка, то после поглощения его энергия станет равной Если импульс такого электрона будет направлен к поверхности, то, потеряв по пути энергию , электрон может достигнуть поверхности металла и вылететь из катода.
После преодоления на поверхности металла потенциального порога электрон унесет с собой кинетическую энергию, равную
или учитывая, что
.
наибольшей кинетической энергией при данном , очевидно, будут обладать те электроны, для которых потери по пути равны нулю т.е.
. (1)
Если пренебречь энергией теплового возбуждения электрона , то
(2)
(уравнение Эйнштейна). при по этой теории фотоэффект невозможен. Таким образом, значение определяет наименьшую частоту фотоактивных фотонов (красную границу фотоэффекта для данного катода). Уравнение (2) теперь можно записать в виде
. (3)
Соотношение Эйнштейна (2) лежит в основе ряда фотоэлектрических методов измерения работы выхода фотокатодов. Например, величину c можно определить, измеряя в сферическом конденсаторе (при ) истинную разность потенциалов катод-коллектор, при которой фототок прекращается. Действительно (с учетом контактной разности потенциалов)
следовательно,
т.е. при заданном можем вычислить и далее определить из соотношения
или
т.е.
(4)
Закон Эйнштейна как показала экспериментальная проверка, строго выполняется для любых фотокатодов, в том числе и для сложных) Для металлов закон Эйнштейна впервые подтвердил на опыте Р.Милликен, и в свое время исследование было выполнено П.И.Лукирским и С.С. Прилежаевым, которые применили метод тормозящего поля между сферическими электродами, ранее разработанный П.И.Лукирским.
Пусть в системе двух концентрических сферических электродов эмиттером служит внутренняя сфера, рассмотрим электрон, вылетевший из точки А под прямым углом к радиусу ОА, и предположим сначала, что напряжение между электродами отсутствует. Электрон движется с постоянной скоростью, и по мере приближения к наружному электроду радиальная составляющая скорости растет, а составляющая, перпендикулярная к радиусу , уменьшается, и в точке прибытия В
(5)
Если между электродами приложено напряжение, то электрическое поле радиально и оно изменяет только компонента а остается такой же, как при отсутствии поля. Значит, в точке прибытия электрона энергия, связанная с составляющей , равна
, (6)
где К—полная энергия электрона. Формула дает часть полной энергии, которая не измеряется
в методе тормозящего поля между сферическими электродами. Если , то и, подавно, , и измеряемая часть энергии равна
, (7)
т.е. при можно с большой степенью точности измерять распределения полных энергий электронов. Неизменяемая часть энергии будет наибольшей для электронов, начальная скорость которых направлена по касательной к поверхности эмиттера. Для всех других электронов ошибка будет еще меньше. Формула (7) остается верной и для системы, в которой внутренняя сфера заменена несферическим катодом достаточно малого размера. рис. показаны результаты измерения вольт-амперной характеристик для меди при трех длинах волн. Из спектрально разложенного потока излучения выделяются монохроматический пучок лучей, который направляется на внутреннюю сферу. Ток (очень слабый) измеряется гальванометром. Форму измеренных вольт-амперных характеристик истолковать нетрудно. Горизонтальный участок - это ток насыщения, текущий в ускоряющем поле. На рис.4 масштаб выбран так, что ордината, изображающая ток насыщения для всех длин волн одинакова. В точке, где начинается понижение кривых, происходит переход от ускоряющего поля к тормозящему, и в этой точке напряжение батареи компенсирует контактную разность потенциалов и истинное напряжение
Для точек пересечения характеристик с осью абсцисс выполняется соотношение
зап Фэм
где Uзап - величина запирающего напряжения и Фэм- работа выхода эмиттера. Таким образом, на основании закона Эйнштейна задерживающий потенциал, при котором ток прекращается, линейно зависит от частоты , причем по углу наклона прямой можно определитьh (если е считать известным ). На рис.3 показаны прямые для Al и Cu,
Рис 3
причем для H получается 6, 61· эрг. сек, т.е. превосходное подтверждение закона Эйнштейна.
Рис 4. Вольт-амперная характеристика для Cu
Этот опыт доказывает также, что энергия фотона в металле может переходить к одному из свободных электронов. В этом состоит особенность фотоэлектрического поглощения света в металлах. Положение начало вольт-амперной характеристики, т.е. точка ее пересечения с осью абсцисс ---, не зависит от работы выхода металла-эмиттера. Если обозначить напряжение батареи, при котором через Uзб, то
зап)ист=uзб+uкн=Фэм,
uкн=(Фа-Фэм),
то
uзб= Фа),
т.е. при заданной частоте и одном и том же металле коллектора-анода вольт-амперные характеристики для различных металлических эмиттеров начинаются из одной и той же точки на оси абсцисс.
Вольт-амперная характеристика на участке тормозящего поля представляет собой интегральную кривую распределения электронов по энергиям. В самом деле, абсциссы этой кривой в некотором масштабе равны энергии электрона, а анодный ток, отложенный по оси ординат:
Ia=e,
где dNW -число электронов с энергиями в интервале от W до W+dW.Анодный ток Ia, таким образом, пропорционален числу электронов, энергии которых превращают величинуW1=eUa. Кривая, выражающая связь между энергией W1 и числом частиц, имеющих энергию, превышающую W1, называется интегральной кривой распределения, Чтобы получить обычную кривую распределения, нужно продифференцировать графически интегральную кривую распределения. Это сделано на рис.5
рис 5.
для интегральной кривой, измеренной при Как видно, максимальные энергии фотоэлектронов для металла, даже при освещении ультрафиолетовым светом, только немного превышают 1эв, а наиболее вероятная энергия (максимум кривой), грубо говоря, вдвое меньше.
Фотографические свойства эмиттеров принято характеризовать несколькими величинами. Величина называется чувствительностью катода. В этой формуле j-падающий на фотокатод поток лучистой энергии определенной длины волны, а — фототок, вызванный этим потоком. Умножая числитель и знаменатель на время t, получим в числителе количество электричества, унесенное фототоком за время t, а в знаменателе —энергию, упавшую за то же время на фотокатод. Обычно чувствительность измеряют в кулонах на калорию (к.кал -1). Чувствительность фотокатода можно также выразить в виде отношения числа электронов nе испускаемых фотокатодом, к числу фотонов n р, упавших на его поверхность за то же время. Величину n e/n р называют квантовым выходом Y, т.е.
В этом случае размерность - электрон на квант (эл/кв). Если часть энергии излучения, упавший на фотокатод, отражается от него или проходит насквозь, то для оценки эффективности фотокатода физически более целесообразно его чувствительность относить не к падающей, а к поглощенной энергии (или в случае квантового выхода, не к числу падающих, а поглощенных квантов энергии ). Чувствительность фотокатода и квантовый выход зависят от длины волны падающего излучения. Зависимости и или же называются спектральными характеристиками фотокатода.
Практически для фотоэлементов больший интерес представляет полный фототок, возникающий при освещении сплошным спектром, даваемым раскаленным телом, например, спиралью лампы накаливания. Характеристика фотокатода в этом случае называется интегральной чувствительностью (размерность в микроамперах на люмьен (мкл.лм -1)).Интегральная чувствительность, очевидно, определяется спектральной характеристикой фотокатода и спектральным составом излучения. Обычно интегральная чувствительность фотокатода определяется при использовании стандартного источника облучения. Таким источником является вольфрамовая нить накала лампы при температуре ее, равной 2770К (яркостная температура при этом равна 2848К ).
Рассмотрим кратко основы экспериментальной техники фотоэлектрических измерений. Для определения зависимостей требуется получение монохроматических потоков излучение различных длин волн и измерение их интенсивности. Тип источника излучения зависит от исследуемой спектральной области. В видимой части спектра (1.5 эв3, 1эв) обычно пользуются лампами накаливания, дающий непрерывный спектр. В области ближнего ультрафиолета () ;
(3, 1эв 5, 63 ) широкое распространение имеет ртутная кварцевая лампа, излучающая линейчатый спектр, содержащий большое количество спектральных линий. В области вакуумного ультрафиолета (6, 2эв12, 3эв), как правило, используется искровой разряд.(это область спектра получило свое название в связи с тем, что излучение этих волн сильно поглощается в воздухе. Поэтому работать с этими излучениями этих длин волн можно лишь в аппаратуре, в которой давление воздуха меньше 10 -4-10 -5тор.). Монохроматизация излучение длин волн, больших 1200, может быть осуществлена с помощью призменных спектрографов. При этом в качестве оптических материалов в видимой части спектра используется обычно стекло, в области ближайшего ультрафиолета до кварц. Могут применятся и другие материалы, например, кристаллы NaCl.В интервале длин волн используются кристаллы LiF. Излучение с более короткими длинами волн поглощается любыми известными оптическими материалами. Поэтому проведение исследований в коротковолновой области вакуумного ультрафиолета требует использования спектрографов с отражающими диспергирующими системами, например, с вогнутой дифракционной решеткой. Измерение интенсивностей потоков излучения обычно осуществляется с помощью специально калиброванных термопар, термостолбиков и фотоумножителей. В ряде случаев абсолютные значения фототоков при использующихся интенсивностях излучения малы и их измерение требует применения высокочувствительных измерителей тока. В ряде случаев абсолютные значения фототоков при данных интенсивностях излучения малы и их измерение требует применения высокочувствительных измерителей тока. Рассмотрим результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик фотокатодов из массивных металлов. Для щелочных, а также некоторых щелочноземельных металлов красная граница лежит в видимой части спектра ; для подавляющего же большинства металлов она находиться в ультрафиолетовой области. Более детальные исследования фотоэффекта с различных металлов показали, однако, что при T >0 резкой красной границы не существует. В действительности фототок в области , близких к , асимптотически приближается к нулю и определение из экспериментальной зависимости , строго говоря, выполнено быть не может. Лишь специальная математическая обработка экспериментальных данных позволяет найти. Отсутствие резкой красной границы при Т > 0 легко понять, если учесть распределение по энергиям электронов внутри твердого тела. Пренебрежение величиной, .сделанное выше, является точным лишь при Т=0.При Т > 0 величина может быть больше нуля. Это приведет, во-первых, к фотоэффекту электронов с уровней энергии E > –, который может происходить и при, а во-вторых, к наличию в фотоэмиссии электронов с кинетическими энергиями, большими, чем.. Однако число электронов в металле с энергиями мало. Поэтому и вероятность фотоэлектрического поглощения при мала, и фототок также мал. При для всех металлов их квантовый выход возрастает при увеличении ; около красной границы рост фототока определяется зависимостью
Страницы: 1, 2
