Рис.2 Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод -- электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмиттирующий электроны под действием этого излучения .

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения): и

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота н0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Теория Фаулера

Основные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера. Согласно ей, после поглощения в металле фотона, его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми-Дирака и возбужденным (сдвинутым на hн) распределением по энергиям. Плотность фототока определяется формулой Фаулера:

где B1, B2, B3 - постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла.

Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое -- явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

Фотовольтаический эффект

Фотовольтаический эффект -- возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения.

Ядерный фотоэффект

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях -- ядерным фотоэффектом.

Современные исследования

Как показали эксперименты в национальном метрологическом институте Германии Physikalisch-Technische Bundesanstalt, результаты которых опубликованы 24 апреля 2009 года в Physical Review Letters, в мягком рентгеновском диапазоне длин волн при плотности мощности на уровне нескольких петаватт (1015 Вт) на квадратный сантиметр общепринятая теоретическая модель фотоэффекта может оказаться неверной.

Сравнительные количественные исследования различных материалов показали, что глубина взаимодействия между излучением и веществом существенно зависит от структуры атомов этого вещества и корреляции между внутренними электронными оболочками. В случае c ксеноном, который использовался в экспериментах, воздействие пакета фотонов в коротком импульсе приводит, по всей видимости, к одновременной эмиссии множества электронов с внутренних оболочек.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

В 1905 г. для объяснения явления фотоэффекта Эйнштейн использовал квантовые представления о свете, введенные в 1900 году Планком, и применил их к поглощению света веществом. Монохроматическое световое излучение, падающее на металл, состоит из фотонов-квантов света с энергией . Электроны поверхностного слоя металла получают энергию этих фотонов, причем взаимодействие излучения с веществом состоит из множества элементарных взаимодействий, каждое из которых заключается в том, что один электрон целиком поглощает энергию одного фотона.

Если энергия фотона W равна или превышает работу выхода, то электроны вылетают из металла. При этом часть энергии фотона тратится на совершение работы выхода Ав, а остальная часть переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона:

уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Это уравнение представляет собой закон сохранения энергии в применении к фотоэффекту

На основе квантовых представлений о свете можно объяснить законы фотоэффекта.

Известно, что световой поток

,

где W - световая энергия, переносимая за время t. Согласно квантовой теории эта энергия переносится фотонами. Следовательно

,

где nф - число фотонов, падающих на вещество. Очевидно, что число электронов ne вырванных из вещества, пропорционально числу фотонов, падающих на вещество, т.е.

,

а следовательно,

.

Таким образом, мы объяснили I закон фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следует, что

и

Отсюда видно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света, а красная граница фотоэффекта - от рода вещества катода (II и III законы фотоэффекта).

Список литературы

1. Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова Эмиссионная электроника. -- Москва: Наука, 1966. -- С. 564.

2. А.Н. Климов Ядерная физика и ядерные реакторы. -- Москва: Энергоатомиздат, 1985. -- С. 352.

3. http://ru.wikipedia.org.

Размещено на Allbest.ru