|
Фотоэлектронная эмиссия, называемая иначе внешним фотоэффектом, представляет собой электронную эмиссию
под действием электромагнитного излучения. Эмитирующий электрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатодом),
а испускаемые им электроны — фотоэлектронами.
Начало изучения фотоэлектронной эмиссии относится к 1886 г., когда немецкий ученый Г. Герц заметил, что напряжение возникновения
электрического разряда между электродами снижается, если осветить один из этих электродов. Это явление с 1888 г. стал исследовать
профессор Московского университета А. Г. Столетов. Он установил важные свойства внешнего фотоэффекта, но не мог его объяснить,
так как в то время еще не были известны электроны.
Рассмотрим законы и характерные особенности фотоэлектронной эмиссии.
1. Закон Столетова. Фототок Iф, возникающий за счет фотоэлектронной эмиссии, пропорционален
световому по току Ф:
Iф = SФ, (22.1)
где S — чувствительность фотокатода, выражаемая обычно в микроамперах на люмен.
Если поток Ф монохроматичен, т. е. содержит лучи только одной длины волны, то чувствительность называют монохроматической
и обозначают Sλ. Чувствительность к потоку белого (немонохроматического) света, состоящего из
лучей с разной длиной волны, называют интегральной и обозначают SΣ.
2. Закон Эйнштейна. Еще в 1905 г. А. Эйнштейн установил, что при внешнем фотоэффекте энергия фотона hv превращается
в работу выхода W0 и кинетическую энергию вылетевшего электрона:
hv = W0 + 0,5mv2, (22.2)
где т и v — масса и скорость фотоэлектрона; v — частота излучения; h — постоянная
Планка, равная 6,63 х 10-34 Дж·с.
Напомним читателю, что электромагнитное излучение имеет двойственную природу. С одной стороны, это электромагнитные
волны, характеризуемые длиной λ, и частотой v. А с другой стороны, излучение можно рассматривать как поток
частиц — фотонов, обладающих энергией hv.
Закон Эйнштейна говорит о том, что энергия фотона hv передается электрону, который затрачивает на выход
из фотокатода энергию W0, а разность hv — W0 представляет
собой энергию вылетевшего электрона.
3. Для внешнего фотоэффекта существует так называемая красная, или длинноволновая, граница.
Если уменьшать частоту излучения v, то при некоторой частоте v0 фотоэлектронная эмиссия прекращается,
так как на этой частоте hv0 = W0 и энергия фотоэлектронов становится равной
нулю. Частоте v0 соответствует длина волны λ0 = c/v0, где с
= 3 • 108 м/с. При v < v0 или λ > λ0 фотоэлектронной
эмиссии не может быть, так как hv < hv0, т. е. энергии фотона недостаточно даже
для совершения работы выхода.
4. Для фотоэффекта характерна малая инерционность. Фототок запаздывает по отношению к излучению
всего лишь на несколько наносекунд.
Фотокатоды иногда характеризуются отношением числа фотоэлектронов к числу фотонов, вызвавших эмиссию. Этот параметр
получил название квантового выхода электронов. Если бы каждый фотон вызывал выход одного электрона, то квантовый
выход равнялся бы единице. Но большая часть фотонов не участвует в создании фототока: часть фотонов имеет длину волны больше λ0,
часть проникает глубоко в катод и рассеивает там
свою энергию, наконец, часть фотонов отражается от поверхности катода. Обычно квантовый выход не превышает 2%.
Работа
выхода W0 и граничная длина волны λ0 для некоторых элементов приведены ниже:
| | Се | К | Sb | Ge | Si |
| W0, эВ |
1,9 | 2,3 | 4,0 | 4,4 | 4,8 |
| λ0, мкм |
0,66 | 0,55 | 0,31 | 0,28 | 0,21 |
Спектру видимого излучения соответствуют длины волн 0,38 — 0,78 мкм, и, как видно из приведенных данных, часть лучей
может вызвать фотоэлектронную эмиссию лишь из цезия и калия. Поэтому фотокатоды обычно делают не из чистого металла. Так,
например, широко применяемый оксидноцезиевый фотокатод, состоящий из серебра, оксида цезия и чистого цезия, имеет уменьшенную
работу выхода, и для него λ0 = 1,1 мкм.
Рис. 22.1. Спектральные характеристики фотокатода
Чувствительность фотокатода зависит от длины волны излучения. Эта зависимость S=f(λ) называется спектральной
характеристикой и может быть двух видов (рис. 22.1). Кривая 1 соответствует нормальному фотоэффекту, который
наблюдается у толстых катодов из чистых металлов, а кривая 2
получается при селективном (избирательном) фотоэффекте, который характерен для тонких катодов
из особо обработанных щелочных металлов. Следует отметить, что чувствительность с течением времени постепенно уменьшается, т.е.
наблюдается явление «усталости», или «утомления», фотокатода.
|
