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.
Существует 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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