Электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. С одной стороны, оно обладает волновыми свойствами, обусловливающими явление интерференции, дифракции, поляризации, а с другой представляет собой поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов - фотонов. По квантовой теории Эйнштейна фотонами, т.е. отдельными порциями энергии, свет излучается, распространяется в пространстве и поглощается веществом. Для монохроматического излучения с частотой ν все фотоны обладают одинаковой энергией
ε = h v, (12.1)
где h = 6,62·10–34 Дж·с - постоянная Планка.
Скорость фотонов равна скорости распространения света в вакууме (с=3·10 8 м/с).
При взаимодействии света с веществом может наблюдаться фотоэлектрический эффект1). Существует три вида фотоэффекта:
внешний, который заключается в испускании электронов веществом под действием электромагнитного излучения;
внутренний, в результате которого электроны в полупроводниках и диэлектриках переходят из связанных состояний в свободные без вылета наружу, увеличивая тем самым электропроводность этих материалов;
вентильный, результатом которого является возникновение электродвижущей силы на границе двух полупроводников различной проводимости (или металла и полупроводника) при отсутствии внешнего электрического поля.
Внешний фотоэффект можно рассматривать как процесс,происходящийв три этапа:
поглощение фотона и переход электрона в твердом теле в возбужденное, более высокое энергетическое состояние, причем, каждый фотон поглощается только одним электроном;
движение возбужденного электрона внутри телак границе раздела с вакуумом (приэтом электрон может потерять часть своей энергииза счет неупругих столкновений);
переход электрона через границу раздела металл - вакуум.
Если энергия, полученная электроном в результате взаимодействия с фотоном, больше величины, необходимой для его выхода за пределы материала, электрон будет продолжать движение в вакууме с некоторой скоростью относительно поверхности тела. Таким образом, энергия кванта идет на то, чтобы вырвать электрон из металла и сообщить ему кинетическую энергию
Уравнение, выражающее закон сохранения энергии для такого процесса, называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта
(12.2)
где ε - энергия фотона (12.2);
Авых - работа выхода электрона из металла;
кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона; 
m и v - масса и скорость фотоэлектрона.
Работа выхода электрона - минимальное значение энергии, необходимой для выхода его из металла. Для предельного случая фотоэффекта, когда скорость фотоэлектрона относительно поверхности покинутого материала равна нулю, можно записать
(12.3)
Выражение (12.3) определяет порог фотоэффекта, его «красную границу» - минимальную частоту νmin или максимальную длину волны λmax, при которой возможен фотоэффект. Она равна
или 
. ( 12.4)
Законы внешнего фотоэффекта (законы А.Г.Столетова).
1.Число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности при ν = const, пропорционально интенсивности падающего потока излучения. Этот закон подтверждается увеличением фототока насыщения (смотри ниже, рис. 12.2).
2.Максимальная начальная скорость (как и кинетическая энергия) фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света и не зависит от его
интенсивности.
3.Для каждого вещества существует «красная граница» (12.4), зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, ниже которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.
Фотоэффект используется в фотоэлементах - приборах, преобразующих энергию электромагнитного излучения в электрическую. Различают фотоэлементы с внешним фотоэффектом, так называемые вакуумные или газонаполненные, с внутренним фотоэффектом - фотосопротивления и фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в запирающем слое - вентильные.
Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон низкого давления, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. Анод в виде кольца или сетки, размещается в центре баллона. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света - сурьмяно-цезиевый.
При освещении фотокатода К светом, содержащим длины волн, способные вырвать электроны, по цепи (рис. 12.1) пойдет ток. Его величина зависит от интенсивности и спектрального состава падающего света. Фотоэлектроны, покинувшие катод, могут управляться электрическим полем, приложенным
|
между катодом и анодом А от внешнего источникаБс помощью потенциометра R.
При изучении зависимости фототока I (рис. 12.2), возникающего при облучении металла потоком монохроматического света, от разности потенциалов U между электродами (такая зависимость называется вольтамперной характеристикой фототока - ВАХ), установлено1), что:
1) фототок возникает не только при U = 0, но и при U < 0;
2) фототок отличен от нуля до строго определенного для данного металла отрицательного значения разности потенциалов U3, так называемого задерживающего потенциала;
3) величина U3 не зависит от интенсивности падающего света, при U=U3 ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной
скоростью Vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода, т.е.
, (12.5)
где е=1,6··10-19 Кл – заряд электрона.
С учетом этого уравнение Эйнштейна (12.2) для фотоэффекта можно записать как hν = Авых + eU3, откуда расчетная формула для определения работы выхода электрона из материала фотокатода
Aвых = hν –eU3 (12.6)
4) фототок растет с уменьшением абсолютного значения U3;
5) по мере увеличения U3 фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число электронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока Iнас - тока насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: Iнас= en, где n - число электронов, испускаемых катодом в 1 с.
6) величина Iнас растет с увеличением интенсивности падающего света;
7) величина U3 зависит от частоты падающего света;
8) скорость вырванных фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты.
Фотоэлементы - безинерционные приборы, для которых наблюдается строгая пропорциональность между фототоком и интенсивностью падающего излучения. Это позволяет использовать их в качестве фотометрических приборов, для контроля, управления и автоматизации различных процессов, для сигнализации и локации в области невидимого излучения, в технике звукового кино, в различных системах связи.
В данной лабораторной работе исследуется зависимость фототока I от величины приложенного к фотоэлементу напряжения U (ВАХ фотоэлемента) при разной интенсивности J падающего на фотокатод монохроматического излучения, а также определяется работа выхода электрона для материала фотокатода.
Все детали установки располагаются на оптической скамье. В качестве источника монохроматического (λ= 632,8 нм) излучения используется гелий-неоновый лазер с линейно поляризованным (см. лаб. раб № 307) излучением. Для изменения его интенсивности используется поляризатор (см. там же), закрепленный в держателе и расположенный между лазером и исследуемым фотоэлементом Ф-28, Регулировка напряжения, наблюдение и измерение фототока выполняются с помощью измерительного блока.