Теоретичні відомості

Явище фотоефекту – один з проявів взаємодії світла з речовиною і розкриває квантову природу світла.

Фотоефект – перехід електронів речовини у новий енергетичний стан під дією освітлення. Поділяється на зовнішній, внутрішній та вентильний. Зовнішній фотоефект – виривання електронів з поверхні речовини під дією освітлення. Електрони, звільнені світлом називаються фотоелектронами. Схема експериментальної установки для дослідження явища зовнішнього фотоефекту зображена на рис. 1. Два електроди (один у вигляді сітки, другий – плоский), знаходяться у вакуумі і під’єднані до батареї. Увімкнений у коло амперметр служить для вимірювання сили струму. Фотоефект у значній мірі залежить від чистоти освітлювальної поверхні. Тому точні досліди проводять зі свіжими поверхнями. Під час вимірювання між електродами підтримують високий вакуум, оскільки наявність газів може значно змінити властивості поверхні і ускладнює умови виходу і перенесення заряду.

Шляхом узагальнення експериментальних даних були встановленні наступні закономірності фотоефекту:

– при незмінному спектральному складі світла сила фотоструму насичення прямо пропорційна падаючому на катод світловому потокові;

– початкова кінетична енергія вирваних світлом електронів лінійно зростає зі збільшенням частоти світла і не залежить від його інтенсивності;

– гальмівна напруга лінійно залежить від частоти і не залежить від його інтенсивності;

– фотоефект не виникає, якщо частота світла менша деякої характерної для кожної речовини величини , яка називається червоною межею фотоефекту;

– фотоефект – явище без інерційне, тобто після припинення освітлення він припиняється.

Рисунок 1 – Схема установки для дослідження залежності фотоструму від напруги і сили світла.

При внутрішньому фотоефекті електрони залишаються в речовині, але із зв’язаного стану переходять у вільний стан (у зону провідності). Для внутрішнього фотоефекту енергія поглинутого світлового кванта не повинна бути меншою ширини забороненої зони (різниця енергій між нижньою границею зони провідності і верхньою границею валентної зони). Вентильний фотоефект – це явище виникнення електрорушійної сили при освітленні контакту двох напівпровідників або напівпровідника і металу за відсутності зовнішнього електричного поля. Тобто, при вентильному фотоефекті під дією світла виникають пари електрон-дірка, які контактним полем переходу розводяться. Це призводить до виникнення фото електрорушійної сили.

Явище фотоефекту і усі його закономірності добре пояснюються за допомогою квантової теорії світла, що підтверджує квантову природу світла. Ейнштейн застосувавши до явища фотоефекта у металах закон збереження енергії, запропонував наступну формулу:

де – робота виходу електрона з металу;

– маса електрона;

– швидкість фотоелектрона.

Згідно Ейнштейну кожен квант поглинається тільки одним електроном, причому частина енергії падаючого фотона витрачається на виконання роботи виходу електрона металу, решта енергії передається електрону у вигляді кінетичної енергії. З формули фотоефект у металах спостерігається тільки при , в іншому випадку енергія фотона буде недостатньою для виривання електрона з металу. Найменша частота світла , під дією якого спостерігається фотоефект, визначається з умови:

Частота світла, яка визначається умовою , називається «червоною межею» фотоефекту. Слово «червона» не має ніякого відношення до кольору світла, при якій спостерігається фотоефект. В залежності від металу «червона межа» може відповідати червоному, жовтому, зеленому, синьому, ультрафіолетовому світлу і т.д.

Припустимо, що між анодом і катодом прикладений гальмівний потенціал . Якщо кінетична енергія електронів достатня, то вони, подолають гальмівне поле і створять фотострум. У фотострумі беруть участь ті електрони, для яких виконується умова:

де – максимальна швидкість вирваних фотоелектронів. Підставивши в (1), отримаємо:

Таким чином, величина затримуючого потенціалу не залежить від інтенсивності, а залежить від частоти падаючого світла. Роботу виходу електронів з металу і сталу Планка можна визначити, побудувавши графік залежності від частоти падаючого світла (рис. 2). Як видно, і відрізок, який відтинається від осі потенціалу, дає .

Оскільки інтенсивність світла прямо пропорційна до кількості фотонів, то збільшення інтенсивності падаючого світла призводить до збільшення числа вирваних електронів, тобто до збільшення фотоструму.

Рисунок 2 – Залежність гальмівної напруги від частоти падаючого світла.

З формули , видно, що енергія фотоелектронів залежить від частоти падаючого світла. Це дозволяє визначити сталу Планка. На основі формул та для двох частот отримаємо звідки:

де , – затримуючі потенціали.

Прилади, дія яких ґрунтується на використанні фотоефекту, називаються фотоелементами. Фотоелементи складаються із скляного балона, всередині якого у вакуумі розміщені фотокатод і колектор електронів або анод (рис.3). Фотокатод являє собою тонкі шари сурми і цезію або інших металів (Rb, Na, K), нанесені на внутрішню поверхню скляного балона. Матеріал фотокатода вибирається залежно від області застосування фотоелемента. Так, сурм’яно-цезієві фотокатоди чутливі до ультрафіолетової та короткохвильової частини видимого світла, киснево-цезієві – до інфрачервоної частини спектру. Друга половина балона прозора – для проходження світла у середину. У центрі балона розташований анод у вигляді кільця або сфери, який ефективно вловлює вибиті фотоелектрони.

При бомбардуванні у вакуумі поверхні металу швидкими електронами, то ці електрони викликають емісію нових електронів з цієї ж поверхні, тобто спостерігається явище вторинної електронної емісії. Число вторинних електронів може бути у декілька разів більшим за число первинних електронів. Це явище лежить в основі роботи фотоелектричних помножувачів, які застосовуються у різних галузях науки і техніки: у ядерній фізиці як сцинтиляційні лічильники, у спектрометрії, для підсилення слабких іонних струмів у мас спектрометрії та ін.

Фотоелектронний помножувач (рис. 3) являє собою електровакуумний прилад, що складається з фотокатода, системи вторинних емітерів, електродів (динодів) і анода (колектора) з додатковими електродами.

Під дією електромагнітного випромінювання з поверхні фотокатода вибиваються електрони. Під дією електричного поля між фотокатодом і першим електродом системи електрони прискорюються і спрямовуються на перший емітуючий електрод. За рахунок вторинної електронної емісії з першого динода вибивається у разів електронів більше, ніж на нього падає. Внаслідок лавиноподібного процесу, який відбувається у фото помножувачі, на аноді збирається у разів більше електронів, ніж було вибито з фотокатода.

Рисунок 3 – Схема та зовнішній вигляд фотоелектронного помножувача: 1 – ініціюючий фотон; 2 – сцинтилятор; 3 – світловий фотон; 4 – фотокатод; 5 – фокусуючий електрод; 6 – електрони; 7 – динод; 8 – корпус фотоелектронного помножувача; 9 – анод; 10 – електричні контакти.