Теоретические сведения. Явление вылета электронов из металла, освещаемого светом, называется внешним фотоэлектрическим эффектом

Явление вылета электронов из металла, освещаемого светом, называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Оно объясняется фотонной теорией света. Свет взаимодействует с веществом, как частица - фотон, обладающая энергией и импульсом , где h – постоянная Планка, c скорость света, ν частота. При столкновении фотона с электроном металла энергия фотона полностью передается электрону и фотон прекращает свое существование. Энергетический баланс этого взаимодействия для вылетающих электронов описывает уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

(1)

где T_{ma x} – максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов, А_вых – работа выхода электрона из металла.

Из уравнения (1) видно, что выход электрона из металла возможен, если энергия фотона

Этим условием определяется красная граница фотоэлемента, то есть минимальная частота падающего света n_min при которой возможен фотоэффект:

(2)

n_min – минимальная частота фотона, зависящая от рода вещества.

На фотоэффекте основано действие приемников излучения – фотоэлементов, преобразующих световой сигнал в электрический, и широко применяющихся в науке и технике.

Фотоэлементы с использованием внешнего фотоэлемента устроены таким образом:

В вакуумированном стеклянном баллоне имеются 2 электрода: фотокатод, представляющий собой слой металла, нанесенный на половину внутренней поверхности баллона и анод в виде петли, диска или сетки.

Фотоэлемент подключается к источнику постоянного напряжения по схеме рис.1 при освещении фотокатода свет выбивает из него электроны. Появляется фототок между катодом и анодом. Фотоэлементы бывают различных типов, например вакуумные и газонаполненные.

Газонаполненные – фотоэлементы, баллоны который заполнены разреженными инертным газом. Они обладают меньшей стабильностью в работе и большей инертностью, чем вакуумные.

С увеличением напряжения в цепи с вакуумным фотоэлементом (при неизменном световом потоке) фототок сначала растет, затем достигает наибольшего значения J_н, называется током насыщения.

Зависимость силы фототока в фотоэлементе от величины приложенного напряжения при неизменном световом потоке, называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента (рис.2)

Вольтамперная характеристика (ВАХ) газонаполненного фотоэлемента (кривая 1) и вакуумного (кривые 2 и 3). Кривая 3 – снята при световом потоке Ф₁, кривая 2 – при потоке Ф₂, Ф₂>Ф₁.

Зависимость J_н = f(Ф) называется световой характеристикой фотоэлемента.

[мкА/лм]

g - чувствительность фотоэлемента, численно равная фототоку, вызываемому единичным световым фотоном. g определяется природой и состоянием поверхности фотокатода. Она также зависит от анодного напряжения и частоты падающего света. g фотоэлемента по отношению к немонохроматическому излучению называется интегральной, к монохроматическому – спектральной.

Отношение числа фотоэлектронов, достигающих анода, к числу фотонов падающего монохроматического света называется квантовым выходом фотоэффекта - d.

Можно оценить d по значению энергии кванта :

d = (число вылетевших фотоэлектронов)/(число фотонов, падающих на фотоэлемент) ,

где e – заряд электрона, А = 0.016 Вт/лм – коэффициент перевода фотометрических величин в энергетические.

Рис. 1 Снятие ВАХ фотоэлемента.

Рис. 2 Снятие спектральной характеристики фотоэлемента.