Вопрос 3. Внешний фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна.

Явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения называется внешним фотоэффектом. Фотоэлектрическими свойствами обладают металлы, полупроводники, а также диэлектрики и электролиты. Внутренний фотоэффект состоит в увеличении концентрации свободных носителей заряда в веществе, и следовательно – электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках.

Я

1 – стабилизированный источник напряжения; 2 – вакуумный фотоэлемент; 3 – вольтметр; 4 – микроамперметр; 5 – резистор;6 – монохроматор; 7 – конденсор

Рисунок 1 - Схема установки для проверки уравнения Эйнштейна

вление внешнего фотоэффекта было открыто в 1887 году Герцем и экспериментально исследовано Хальваксом, Риги, Столетовым и другими учеными. Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.

4

Т ипичный вид вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента, регистрируемой при заданных характеристиках электромагнитного излучения, показан на рисунке 2.

Характерными параметрами вольтамперной характеристики фотоэлемента (рисунок 2) являются сила фототока насыщения и запирающий потенциал .Запирающим потенциалом называется модуль такого максимального значения отрицательного потенциала, при котором сила фототока становится равной нулю.

Вопрос 4.

А.Г. Столетовым в 1888 году эмпирически установлены законы фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения (при прочих равных условиях) пропорциональна падающему световому потоку).

2. Фотоэффект наблюдается только при освещении фотокатода излучением, частота которого не менее частоты красной границы фотоэффекта (т.е. при ≥ , или в шкале длин волн при λ λ₀).

3. Распределение фотоэлектронов по начальным значениям кинетической энергии не зависит от величины светового потока.

4. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты излучения:

, (2)

при этом числовое значение постояннойb для всех веществ одинаково, а значения постоянной a – различны.

Фотоэффект – явление практически безынерционное.

Объяснить закономерности фотоэффекта на основе волновых представлений о свете не удалось. Их объяснение возможно только в рамках квантовой теории.

В соответствии с эйнштейновской гипотезой квантов света, при фотоэффекте энергия фотона , поглощенного фотокатодом, расходуется на совершение электроном работы A₁ по отрыву его от атома (в неметаллах), совершение работы выхода A₂ за пределы поверхности материала и сообщение электрону кинетической энергии. Максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона (фотоэлектрона) может быть найдена из уравнения

. (3)

Соотношение (3), называемое уравнением Эйнштейна для фотоэффекта, представляет собой закон сохранения энергии для данного явления, рассматриваемого на элементарном уровне. Если , то внешний фотоэффект не наблюдается. Красная граница фотоэффекта определяется из условия (для металлов A₁=0 и hν₀ = A₂). Так как существует распределение электронов по энергиям, и вид этого распределения зависит от температуры вещества, то реальная работа выхода для различных электронов различна. Поэтому существует некоторое распределение фотоэлектронов по скоростям (кинетическим энергиям). Фототок прекращается при достижении потенциала U = – U_З. При этом в соответствии с (3) запирающее напряжение U_З удовлетворяет соотношению

. (4)

Фотоэлектрический эффект получил широкое практическое применение в приёмниках излучения различного типа. Различают приёмники с внешним и внутреннимфотоэффектом. К ним относятся фотоэлементы. Эти приёмники оптического излучения селективны, и их реакция зависит от величины энергии отдельных поглощённых квантов.

Спектральная характеристика приёмников оптического излучения с внешним фотоэффектом имеет характерную длинноволновую (красную) границу в области (0,6 ÷ 1,2) мкм, зависящую от работы выхода электронов из вещества чувствительного элемента приемника. Фотоэлектрические приёмники оптического излучения с внутренним фотоэффектом (в зависимости от типа) чувствительны и в далёкой ИК области спектра (до 10 – 30 мкм).

Порог чувствительности приёмников с внешним фотоэффектом может быть доведён до (10^-12 ÷10^-15) Вт·Гц^-1/2 при постоянной времени 10^-9 с. Порог чувствительности так называемых счётчиков фотонов (полупроводниковых лавинных фотодиодов) ещё выше – до 10^-17 Вт·Гц^-1/2. Предельная чувствительность фоторезисторов (10^-10÷10^-12) Вт·Гц^-1/2 при постоянной времени 10^-5 ÷ 10^-7 с.