Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   Большой образовательный сайт для электриков. Мир электричества.
Электротехника, электроника и автоматика в простом и доступном изложении.

Искать в Школе для электрика:
 
 

 

Электрические явления

 

Фотоэлектронная эмиссия - физический смысл, законы и применение


Явление фотоэлектронной эмиссии (или внешний фотоэффект) было открыто экспериментально в 1887 году Генрихом Герцем во время эксперимента с открытым резонатором. Когда Герц направлял ультрафиолетовое излучение на цинковые разрядники, в тот же момент прохождение через них электрической искры заметно облегчалось.

Таким образом, фотоэлектронной эмиссией можно назвать процесс испускания электронов в вакуум (или в другую среду) твердыми или жидкими телами под действием падающего на них электромагнитного излучения. Наиболее практически значима фотоэлектронная эмиссия из твердых тел - в вакуум.

Электронно-лучевая трубкаСуществует три закона фотоэлектронной эмиссии или внешнего фотоэффекта:

1. Электромагнитное излучение неизменного спектрального состава, падающее на фотокатод, вызывает фототок насыщения I, величина которого пропорциональна энергетической освещенности катода, то есть число n выбиваемых (эмитируемых) за 1 секунду фотоэлектронов пропорционально интенсивности падающего излучения F.

Закона фотоэлектронной эмиссии

2. Для каждого вещества, в соответствии с его химической природой и при определённом состоянии его поверхности, обусловливающими работу выхода Ф электронов из данного вещества, существует длинноволновая (красная) граница фотоэлектронной эмиссии, то есть минимальная частота v0, ниже которой фотоэффект невозможен.

Закон фотоэлектронной эмиссии

3. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего излучения и не зависит от его интенсивности. Другими словами, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с ростом частоты падающего излучения и не зависит от интенсивности данного излучения.

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего излучения и не зависит от его интенсивности

Законы внешнего фотоэффекта в принципе выполнялись бы строго лишь при абсолютном нуле температуры, тогда как в реальности, при Т > 0 К, фотоэлектронная эмиссия наблюдается и при длине волны больше граничной, правда с малым количеством эмитирующих электронов. При чрезвычайно высокой интенсивности падающего излучения (более 1 Вт/кв.см) эти законы также нарушаются, поскольку выраженность многофотонных процессов становится явной и значительной.

Фотоэлектронная эмиссия

Физически явление фотоэлектронной эмиссии представляет собой три последовательных процесса.

Сначала веществом поглощается падающий фотон, вследствие чего внутри вещества появляется электрон с энергией выше средней по объему. Этот электрон движется к поверхности тела, причем на этом пути часть его энергии рассеивается, ведь попутно такой электрон взаимодействует с другими электронами и колебаниями кристаллической решетки. Наконец, электрон выходит в вакуум или другую среду за пределами тела, проходя через потенциальный барьер на границе раздела этих двух сред.

Что характерно для металлов, в видимой и ультрафиолетовой частях спектра фотоны поглощаются электронами проводимости. Для полупроводников и диэлектриков — возбуждаются электроны валентной зоны. В любом случае, количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии служит квантовый выход — Y – количество электронов, эмитирующих в расчете на один падающий фотон.

Квантовый выход зависит от свойств вещества, от состояния его поверхности, а также от энергии падающих фотонов.

Квантовый выход

У металлов длинноволновая граница фотоэлектронной эмиссии определяется работой выхода электрона из их поверхности. Большинство металлов при чистой поверхности имеют работу выхода больше 3 эВ, тогда как щелочные — от 2 до 3 эВ.

По этой причине фотоэлектронная эмиссия с поверхности щелочных и щелочноземельных металлов может наблюдаться даже при облучении фотонами видимой области спектра, а не только УФ. Тогда как у обычных металлов фотоэлектронная эмиссия возможна лишь начиная с частот УФ.

Этим пользуются для снижения работы выхода из металла: наносят пленку (моноатомный слой) щелочных и щелочноземельных металлов на обычный металл, и смещают таким образом красную границу фотоэлектронной эмиссии в область более длинных волн.

Вакуумная лампа

Величина квантового выхода Y, характерная для металлов в области ближнего ультрафиолета и видимой области, имеет порядок менее 0,001 электрон/фотон, поскольку глубина выхода фотоэлектронов мала по сравнению с глубиной поглощения металлом света. Львиная доля фотоэлектронов рассеивают свою энергию еще до подхода к границе выхода из металла, утрачивая любой шанс на выход.

Если энергия фотонов близка к порогу фотоэмиссии, то большинство электронов возбудится на энергии ниже уровня вакуума, и вклада в фотоэмиссионный ток они не дадут. К тому же коэффициент отражения в областях ближнего УФ и видимой области слишком велик для металлов, поэтому лишь очень малая часть излучения вообще поглотится в металле. В дальней области УФ эти ограничения уменьшаются, и Y достигает 0,01 электрон/фотон при энергии фотонов более 10 эВ.

На рисунке приведена спектральная зависимость квантового выхода фотоэмиссии для чистой поверхности меди:

Спектральная зависимость квантового выхода фотоэмиссии для чистой поверхности меди

Загрязнения на поверхности металла снижают фототок и смещают красную границу в область более длинных волн, вместе с тем для дальней УФ-области в данных условиях Y может возрасти.

Фотоэлементы - применение фотоэмиссии

Фотоэлектронная эмиссия находит применение в фотоэлектронных приборах, преобразующих электромагнитные сигналы различных диапазонов в электрические токи и напряжения. Например изображение в невидимых ИК-учах может быть преобразовано в видимое при помощи прибора, работающего на основе явления фотоэлектронной эмиссии. Также фотоэлектронная эмиссия работает в фотоэлементах, в различных электронно-оптических преобразователях, в фотоумножителях, фоторезисторах, фотодиодах, в электронно-лучевых трубках и т. д.

Смотрите также: Как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую