Физическая лаборатория - Портис А.
Скачать (прямая ссылка):
Возвратитесь к схеме на рис. 1. Установите анодное напряжение равным 75 е и увеличивайте температуру нити накала, пока анодный ток достигнет величины 5 ма. Обратите внимание на существенное уменьшение шумов.
Объясните, почему в режиме работы с пространственным зарядом уровень шумов намного меньше, чем в режиме, при котором достигается ток насыщения.
Работа 3.5. ФОТОЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
Последние четыре работы этой части лабораторного курса относятся к разделу, который мы будем называть «физикой фотонов». В этих экспериментах подчеркивается фотонный характер света. При изложении материала мы будем постоянно сравнивать результаты проводимых исследований с основными результатами работ Р.2.9 — Р.2.12, где изучались процессы генерации, детектигювания, распространения, поляризации и интерференции микроволнового излучения. Отметим как поразительное различие, так и замечательное сходство этих измерений, проводимых в совершенно различных областях электромагнитного спектра.
Явление фотоэлектронной эмиссии с поверхности под действием света драматически нарушает предсказания классической электромагнитной теории. Давайте вспомним, как ведут себя полупроводниковые диоды, которые использовались для регистрации микроволнового излучения в Р.2.9 — Р.2.12. В этих экспериментах мы нашли, что измеренное напряжение на диоде при разомкнутой цепи (напряжение, при котором ток, поступающий во внешнюю цепь, пренебрежимо мал) было пропорционально мощности микроволнового излучения, попадающего на диод. При фиксированной подводимой мощности (которая определяется напряженностью электрического поля и разностью потенциалов на диоде) регистрируемое напряжение почти не зависит от частоты. Как нам, известно, такие детекторы одинаково хорошо работают как в диапазоне радио-и звуковых частот, так и при более низких частотах.
Мы найдем, что в противоположность диоду, регистрирующему микроволновое излучение, напряжение на фотодетекторе при разомкнутой цепи не зависит от интенсивности света (однако, если бы измерялся фототок в замкнутой цепи, то мы бы обнаружили, что он пропорционален интенсивности падающего света). Далее, в противоположность диоду будет установлено, что напряжение на фото-детекторе при разомкнутой цепи является функцией длины волны падающего света, а именно
У = !-У0. (1)
214
Эта зависимость приведена на рис. 1. Существует некоторая пороговая длина волны Л=?/К0. Если длина волны падающего света больше, чем К=к/У0, то независимо от его интенсивности фототок будет отсутствовать. Величина пороговой длины волны зависит от материала поверхности фотодетектора и обычно находится в видимой или в ближней инфракрасной области спектра.
Представленная на рис. 1 зависимость была впервые объяснена Эйнштейном в 1905 г. и послужила доказательством квантования электромагнитной энергии. Эйнштейн ут- „ верждал, что когда фотон поглощается поверхностью, то вся его энергия передается одному электрону. Вылетевший электрон будет иметь энергию
ть2=пх—ец>, (2)
где Л— постоянная Планка (6,6256-Ю-27 Рис. 1.
эре-сек), а щ есть работа выхода электрона за пределы поверхности тела. Как мы видели в Р.3.3, работа выхода определяет также и интенсивность термоэлектронной эмиссии. Представим себе, что фотодетектор имеет геометрию, показанную на рис. 2. Поглощающая свет поверхность находится в центре сферической полости. Испущенные со скоростью V электроны собираются на сферическую поверхность. При этом на центральном электроде, который называется фотокатодом, остается избыточный положительный заряд. Поле заряда замедляет движение электронов к аноду. Когда заряд на катоде становится достаточно большим, последующие фотоэлектроны не могут достигнуть анода и возвращаются обратно на катод. Величина этого тормозящего потенциала определяется соотношением
Рис. 2.
еУ = ~тиъ — п\—ар. (3)
Разделим обе части соотношения (3) на е и вместо V запишем с/Я. Тогда
Из сравнения последнего соотношения с (1) следует, что коэффициент пропорциональности к— Нсіе, а потенциал Ул равен потенциальному барьеру для поверхности фотокатода.
В проведенном рассуждении мы предполагали, что катод и анод сделаны из одного и того же материала. Если материалы катода и анода различны, то в выражение (3) надо добавить член, равный разности контактных потенциалов этих поверхностей. Учет этого члена приводит к тому, что У0 становится равным потенциальному барьеру анода, а не катода!
215
Самые ранние опыты по фотоэлектрическому эффекту проводились с щелочными металлами, которые характеризуются низкой работой выхода и относительно высоким выходом фотоэлектронов. Даже при этих условиях вероятность вылета фотоэлектрона составляла всего около 0,1 процента. Поэтому при умеренных интен-сивностях света измерение фототока приходилось проводить в микроамперном диапазоне. Современные фотоэлементы с сурьмяно-
цезиевыми фотокатодами обладают наряду с низкой работой выхода высоким выходом фотоэлектронов, достигающим 20 процентов. Однако подобные фотокатоды имеют существенный недостаток, осложняющий проведение измерений величины hc/e, который заключается в том, что работа выхода фотокатода неодинакова по его поверхности. По этой причине невозможно получить резкое обрезание фототока. И все же, используя промышленные образцы фотоэлементов, можно добиться точности 104-20 процентов при определении hc/e.
