Фотоэлектронная эмиссия

Министерство Образовании

Азербайджанской Республики

Бакинский Государственный

Университет

Cтудент II курса

Физического Факултета

Гусейнов Назим

Курсовая работа

по теме: Фотоэлектронная эмиссия

Зав. кафедра : проф. Абдинов А.Ш.

Научный руководитель :

Аскеров Ш.Г.

БАКУ 1998

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

Литература

Введение

Среди разнообразных явлений в которых проявляется воздействие света на вещество важное место занимает фотоэлектрич-еский эффект т.е.испускание элетронов веществом под действием света.Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвучайно важнейщию роль в развитии современых теоритичесих представлений.Вместе с тем фотоэлектричкский эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейщих областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы.Открытие фотоэффекта следует отнести к 1887 г.когда Герц обнаружил что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка находящигося под напряжением облегчает проскакивание искры между ними. Явление обнаруженое
Герцом можно наблюдать на следующем легко осущесвимом опыте (рис.1.).
Величина искрового промежутка ( 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 ( сделанные из чистого цинка светом ртутной лампы ((,то разряд конденсатора значительно облегчается: искра начинает проскакивать доволно часто, конечно мощность трасформатора достаточно для быстрой зарядки конденсатора С . Поместив между лампой и электродами ( стекло ( мы преграждаем доступ ультрафиолетовым лучам и явление прекращается.Систематическое иследование
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,эаряды 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 результами иследований Столетова имеющие значение и в наше время, были следующие заключения:
1) Наиболее эффективно действует ультрафиолетовые лучи, поглащаемые телом.
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 планстинка,соединеная с электродами и заряженн ая отрицательно, освещенная ультрафеолетовым светом, быстро разряжает электроскоп,таже пластинка, заряженная положительно сохраняет свой заряд, не смотря на освещение. При тщательном наблюдение электроновм большой чувствительности можно заметить,что незаряженная пластинка под действиаем освещения заряжается положително, т.е. теряет часть своих отрицательных зарядов, первоначально нетрализовавших ее положительный заряд . Несколько лет спустя
(1898 г). Ленардом и Томсоном были произведены определения ((( для освобождаемых электронов по отклонению их в электрическом и в магнитном полях. Эти измерения дали для ((( значения 1,76([pic]СГСМ,[pic] доказав что освобожденные светом отрицательные заряды суть электронами.

[pic]

Фотоэлектронная эмиссия металлов

Фотоэлектрононой эмиссией или внешним фотоэлектрическим эфектом называется испукания электронов поверхностью твердого тела под дейс- вием падающего на нее электромагнитного излучения.
Основными законами фотоэффекта можно считать следующие
1) пропорциональность фототока [pic] интенсивности светового потока (, вызывающего фотоэффект ( [pic]( ) при условии неизменности спректрального состава излучения (Закон Столетова);
2) наличие длиноволновой (красной) границы [pic] области спектра излучения вырывающего фотоэлектроны из даного фотокатода ; лишь излучения с длиной волны [pic] т.е. с частотой [pic](([pic] могут вырывать фотоэлектроны;

3) независимость кинетичесой энергии фотоэлектронов от интенсивности света и линейная зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов ([pic]), вырваного из даного фотокатода светом некоторой частоты [pic] ,от этой частоты ([pic]

[pic]

4) безынерционность фотоэффекта. установлено, что фототок появляется и исчезает вместе с освещением, запаздывая не более чем на [pic]

Качественное обьяснение с волновой точки зрения на первый взгляд не представляет трудности. В самом деле это объяснение могло бы выглядеть так
; падающая электромагнитная волна вызывает вынужденые колебания электронов в металле; при резонансе между собственым 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 взаимствоваться у падающей волны , и поэтому естественно ожидать , что энергия фотоэлектрона должна находиться в прямой связи с интенсивности падающего света .Многочисленные опыты показали ,что энергия фотоэлектронов абсалютно не зависит от интенсивности света , повышение интенсивности увеличивает лишь число фотоэлектронов и при том в количестве строго пропорцианальном интенсивности -но не их скорости . Последнее зависит от частоты падающего света , а именно , с увеличением частоты линейно возрастает энергия фотоэлекторонов .Все эти законы фотоэффекта представляются непонятными с точки зрения волновой природы света .
Независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности света пытались объяснитьтем что свету приписывалось роль “спускавого 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 дожен был бы сильно зависеть от температуры металла, чего на самом деле нет.Обьяснение основных закономерностей фотоэффекта было дано на основе фотонной теории света ( Эйнштейна, 1905 г.). Фотон, обладающий энергией [pic] поглощается электроном фотокатода в единичном акте взаимодействия, повышая его энгергию на величину [pic] Если до поглощения фотона кинетическая энергия электрона была [pic], где [pic] граница
Ферми, а [pic] – положительная или отрицательная добавка, то после поглощения его энергия станет равной [pic] Если импульс такого электрона будет направлен к поверхности, то, потеряв по пути энергию [pic], [pic] электрон може достигнуть поверхности металла и вылететь из катода.
После преодоления на поверхности металла потенциального порога [pic] электрон унесет с собой кинетическую энергию, равную

[pic]

или учитывая, что [pic]

[pic]. наибольщей кинетической энергией при даном [pic] ,очевидно, будут обладать те электроны ,для которых потери по пути [pic] равны нулюб т.е.

[pic] . (1)
Если пренебречь энергией теплового возбуждения электрона [pic], то

[pic] (2)

(уравнение Эйнштейна). при [pic] по этой теории фотоэффект невозможен.
Таким образом,значение [pic] определяет наименьшую частоту фотоактивных фотонов (красную границу фотоэффекта для данного катода). Уравнение (2) теперь можно записать в виде

[pic]. (3)

Соотношение Эйнштейна (2) лежит в основе ряда фотоэлектрических методов измерения работы выхода фотокатодов. Например, величену ( можно определить, измеряя в сферическом конденсаторе (при [pic]) истиную разность потенциалов
[pic] катод-коллектор,при которой фототок прекращается . Действительно (с учетом контактной разности потенциалов )

[pic] следовательно,

[pic] т.е. при заданом [pic] можем вычислить [pic] и далее определить [pic] из соотношения

[pic]

или

[pic] т.е.

[pic]
(4)

Закон Эйнштейна как показала эксперементальная проверка, строго выполняется для любых фотокатодов, в том числе и для сложных ) Для металов закон Эйнштейна впервые подвердил на опыте Р.Милликен, но наибольшее точное исследование было выполнено П.И.Лукирским и С.С. Прилежаевым, которые применили метод тормозящего поля между сферическими электродами, ранее разработаный
П.И.Лукирским. Пусть в системе двух концентрических сферических электродов эмиттером служит внутернняя сфера рассмотрим электрон,вылетевший из точки
А под прямым углом к радиусу ОА, и предположим сначала, что напряжение между электродами отсуствует. Электрон движется с постоянной скоростью, и по мере приближения к наружному электроду радиальная составляющая скорости
[pic]растет , а составляющая, перпендикулярная к радиусу [pic], уменьшается, и в точке прибытия В

[pic] (5)

Если между электродами приложено напряжение, то электрическое поле радиально и оно изменяет только [pic]а [pic] остается такой же, как в отсуствие поля. Значит, в точке прибытия тангециального электрона энергия, связанная с составляющей [pic], равна

[pic], (6)

где К—полная энергия электрона. Формула дает часть полной энергии, которая не измеряется в методе тормозящего поля между сферическими электродами. Если [pic],то и, подавно,[pic], и измеряемая часть энергии равна

[pic],

(7)

т.е. при [pic] можно с большой степенью точностью измерять распределения полных энергий электронов. Неизмеряемая часть энергии [pic] 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 внутерннюю сферу. Ток (очень слабый) измеряется электромером. Форму измеренных вольт-амперных характеристик истолковать нетрудно.
Горизонтальный участок ( это ток насыщения, текущий в ускоряющем поле. На рис.4 масштаб выбран так, что ордината, избражающая 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 потенциаллов и истиное напряжение

[pic].
Для точек пересечения характерсеик с осью абсцисс выполняется соотношение

[pic]зап [pic]Фэм где Uзап - величина запирающего напряжения и Фэм- работа выхода эмиттера.
Таким образом, на основании закона Эйнштейна задерживающий потенциал, при котором ток прекращается, лиенйно зависит от частоты [pic] , причем по углу наклона прямой можно определитьh (если е считать известным ). На рис.3 паказаны прямые для Al[pic] и Cu ,

[pic]
Рис 3

причем для H получается 6,61([pic] эрг( сек, т.е. привосходное подтверждение закона Эйнштейна.

[pic] вольт-амперная характеристика для Cu Рис
4.

Этот опыт доказывает также, что энергия фотона [pic] в металле иожет переходить к одному из свободных электронов. В этом состоит особеность 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 [pic] через Uзб , то

[pic]зап)ист=uзб+uкн=[pic]Фэм,

uкн=[pic](Фа-Фэм), то uзб=[pic] Фа),

т.е. при заданной частоте [pic] 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 энергиии электрона, а анодный ток, отложенный по оси ординат:

Ia=e[pic][pic][pic],

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

[pic] рис 5.

для интегральной кривой, измеренной при [pic] 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 [pic]называется чувствительностью катода . В этой формуле j-падающий на фотокатод поток лучистой энергии определенной длины волны ,а [pic]( 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). [pic]Чувствительность фотокатода можно также выразить в виде отношения числа элоктронов nе испускаемых фотокатодом ,к числу фотонов n р
,упавших на его поверхность за то же время .Величину n e(n р называют квантовым выходом ( ,т.е.

[pic]
В этом случае --- измеряется в электронах 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 поглащенной энергии (или в случае квантового выхода , не к числу падающих ,а поглощенных квантов энергии ). Чувствительность фотокатода и квантовый выход зависят от длины волны [pic] падающего излучения . Зависимости
[pic] и или же [pic] называются спектральными характеристиками фотокатода .

Практически для фотоэлеметов больщий интерес представляет полный фототок ,возникающий при освещении сплошным спектром , даваемым раскаленным телом ,накпример , спиралью лампы накаливания . Характеристика фотокатода в этом случае называется интегральной чувствительностью и дается обычно 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 ).
Расмотрим кратко основы эксперементальной техники фотоэлектрических измерений. Для определения зависимостей [pic] требуется получение монохроматических потоков излучение различных длин волн и измерение их интенсивности.Тип источника излучения зависит от исследуемой спектральной области.В видимой части спектра [pic](1.5 эв[pic]3,1эв) обычно пользуются лампами накаливания, дающий непревывный спектр. В области ближнего ультрафиолета ([pic]) ;
(3,1эв[pic] 5,63 ) широкое распространение имеет ртутная кварцевая лампа, излучающая линейчатый спектр, содержащий большое количество спектральных линий. В области вакуумного ультрафиолета
[pic](6,2эв[pic]12,3эв) , 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[pic], может быть осуществлена с помощью призменных спекртографов. При этом в качестве оптических материалов в видимой части спектра используется обычно стекло, в области ближайщего ультрафиолета до[pic] кварц. Могут применятся и другие материалы, например, кристалы NaCl.В интервале длин волн [pic] используются кристалы LiF. Излучение с более короткими длинами волн [pic] 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 используюшихся интенсивностях излучения малы и их измерение требует применения высокочувствительных измерителей тока . Рассмотрим результаты экпериментальных исследований спектральных характеристик фотокатодов из массивных металлов .Для щелочных , а также некоторых щелочноземельных металлов красная граница лежит в видемой части спектра ; для подавляющего же большинства металов она находиться в ультрофеолетовой области .Более детальные исследования фотоэффекта с различных металлов показали,однако, что при T >0 резкой красной границы не существует.В действительности фототок в области [pic] , близких к [pic], асимптотически приближается к нулю и определение [pic] из эксперементальной зависимости [pic], стого говоря, выполнено быть не может.
Лишь специальная математическая обработка экспериментальных данных позволяет найти[pic] . Отсутсвие резкой красной границы при Т > 0 легко понять,если учесть распределение по энергиям электронов внутри твердого тела.Пренебрежение величиной ,[pic].сделанное выше,является точным лишь при
Т=0 .При Т > 0 величина [pic] может быть больше нуля. Это приведет, во- первых, к фотоэффекту электронов с уровней энергии E > ([pic] , который может происходить и при[pic][pic] , а во-вторых, к наличию в фотоэмиссии электронов с кинетьическими энергиями,большими, чем.[pic]. Однако число электронов в металле с энергиями [pic] мало. Поэтому и вероятность фотоэлектрического поглощения при [pic] мала,и фототок также мал.При для всех металлов их квантовый выход возрастает при увеличении [pic] ; около красной границы рост фототока определяется зависимостью

Страницы: 1, 2