По теории Эйнштейна, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных с поверхности вещества электронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта).
Энергия падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из вещества А и на сообщение ему кинетической энергии
.
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта является законом сохранения энергии применительно к этому процессу.
.
(1)
Из уравнения (1) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов падает (для данного металла Авых = const.), то при некоторой достаточно малой частоте n=n0 кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и при дальнейшем понижении частоты фотоэффект прекращается (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, получим
или 
(2)
Величины λ0 и n0 называют красной границей фотоэффекта для данного вещества. Они зависят лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности (в том числе и от наличия или отсутствия на поверхности других веществ).
Применение фотоэффекта
На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в разных областях науки и техники.
Фотоэлементы – приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.
В зависимости от вида осуществляемого фотоэффекта, фотоэлементы можно разделить на три группы:
1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Простейшим из них является вакуумный фотоэлемент (рис.1). Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окна для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Выводы катода и анода, вмонтированные в пластмассовый цоколь, присоединяются к источнику напряжения. Если на фотокатод подействовать светом, способным вырывать электроны, то по цепи пойдет фототок, интенсивность которого увеличивается при наличии между катодом и анодом ускоряющего напряжения.
Вакуумные фотоэлементы безынерционны, для них наблюдается пропорциональность между фототоком и интенсивностью излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов (например, фотоэлектрический экспонометр, люксметр – измеритель освещенности, и т.д.).
Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняется разреженным газом (Ar или Ne при давлении ~1¸10 Па). Такой фотоэлемент называется газонаполненным. Фототок в таком элементе усиливается вследствие столкновительной ионизации молекул газа фотоэлектронами.
 |
2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используют PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов имеют красную границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет проводить измерения в дальней инфракрасной области спектра (до 3¸4 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма- излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений – их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.
3. Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая (подобно элементам с внешним фотоэффектом) строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купоросные, сернисто-серебряные и др. Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую.
4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ), в которых сочетается внешний фотоэффект с эффектом вторичной электронной эмиссии, происходящей на нескольких динодах. Эти приборы обладают чувствительностью, на несколько порядков большей, чем у фотоэлементов.
Характеристики фотоэлемента
Основными характеристиками фотоэлемента являются:
1. Вольтамперная характеристика – зависимость силы фототока от напряжения на фотоэлементе при неизменной освещенности фотокатода.
2. Спектральная характеристика – зависимость силы фототока от длины волны падающего излучения при неизменной освещенности и неизменном напряжении на фотоэлементе.
3. Световая характеристика – зависимость силы фототока от величины светового потока данной длины волны при неизменном напряжении на фотоэлементе.
4. Интегральная чувствительность – отношение силы фототока с суммарной мощности излучения в выбранном диапазоне длин волн.
Вольтамперная характеристика фотоэлемента с внешним фотоэффектом
На рис.2 приведена вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента, соответствующая двум различным освещенностям фотокатода (частота падающего света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения напряжения фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение фототока Iнас – фототок насыщения – определяется
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.