Файл: optics_quant_phys_chpi_mgou.docx

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.11 ВНЕШНИЙ И ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТЫ, ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ

Цель работы1: изучение фотоэффекта, из мерение характеристик сурьмя- но-це иевого фотоэлемента и определение постоянной Планка; выполнение фотометрических и мерений.

Приборы1 и принадлежности: сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с блоком питания и регистрации, оптическая скамья с рейтерами, лампа накаливания в кожухе, красный светофильтр, светодиодные источники и лучения (синий и инфракрасный), дополнительные вольтметр и амперметр (мультиметры), люксметр Ю116 (или аналогичный).

Меры1 предосторожности: Металлический кожух включенной лампы накаливания нагревается, поэтому его касаться нель я. Рейтер с лампой следует осторожно перемещать по оптической скамье и надежно акреплять при и ме- рениях. Фотоэлемент должен быть з акрыт крышкой, которая снимается только на время из мерений. После из мерений крышку следует з акрыть.

Литература: [1, §§ 202-204], [2-6],[10, Т.1, Т.5], [17,18].

План работы:

1. И учение экспериментальных и теоретических сведений о внешнем и внутреннем фотоэффектах.

2. Изучение экспериментальной установки с сурьмяно-цезиевого фото­элемента.

3. Из мерение светового потока и снятие световой характеристики фото­элемента для красного света.

4. Снятие вольт-амперных характеристик для красного и синего света.

5. Снятие вольт-амперной характеристики для инфракрасного и лучения светодиода.

6. Вычисление постоянной Планка.

7. Определение длины волны инфракрасного и лучения светодиода и оценка красной границы фотоэффекта.

8. Работа с компьютерной моделью фотоэффекта.

1. Фотоэффект

Фотоэффектом на ывается испускание электронов веществом при погло­щении им квантов электромагнитного и лучения (фотонов). Фотоэффект был открыт в 1887 г. Г .Герцем¹, который обнаружил, что искровой разряд между двумя электродами происходит при меньшем напряжении, если искровой про­межуток освещается светом с большой долей ультрафиолетового и лучения.

Первые исследования фотоэффекта выполнены А.Г.Столетовым¹¹ (1888

*2

г.), Ф.Ленардом и Дж. Дж. Томсоном (1889 г.). Основные закономерности фо­тоэффекта были объяснены в 1905 г. А .Эйнштейном на основе представлений о поглощении энергии электромагнитного поля квантами. За работы по фотоэф­фекту Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике (1921 г.).

---

Процесс поглощения фотона свободным электроном невозможен, по­скольку для него не могут быть одновременно выполнены аконы сохранения энергии и импульса. Возможным является лишь рассеяние фотона на свобод­ном электроне - поглощение исходного фотона электроном с испусканием им нового фотона. Электрону передается часть энергии первичного фотона, в ре­зультате чего энергия вторичного фотона оказывается меньше, чем первичного. Такой процесс называется эффектом Комптона (см. работу 3.12). В присутствии третьего тела (например, ядра атома) в веществе становится во можным по­глощение фотона атомным электроном или электроном, свободно движущемся внутри металла.

Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. При внешнем фотоэффекте, на ываемом также фотоэлектронной эмиссией, электроны выле­тают с поверхности освещенного металла. Внутренний фотоэффект - вырыва­ние электрона из атома или молекулы наз ывают фотоиониз ацией. Такой про­цесс в твердых телах приводит к во никновению в них свободных носителей аряда - электронов. В полупроводниках при этом во никают еще и положи­тельные свободные з аряды - дырки. Внутренний фотоэффект приводит к появ­лению фотопроводимости, а при пространственном ра делении электронов и дырок - к возникновению вентильной фото-э.д.с. (см. работу 3.10).

Для внешнего фотоэффекта установлены следующие основные з аконы:

1. Фотоэффект бе ынерционен.

2. Величина фототока насыщения пропорциональна световому потоку при неи менном его спектральном составе.

3. Максимальная скорость фотоэлектронов v_max з ависит для данного ве­щества лишь от частоты падающего света в соответствии с уравнением Эйн­штейна

_mv²

hv = Аы + (11.1)

где hv - энергия кванта, А_ых - работа выхода, m - масса электрона. Это урав­нение получено в предположении, что фотон в аимодействует только с одним электроном, а скорости электронов в металле близки к нулю. Предполагается также, что электроны движутся не ависимо друг от друга и и менение энергии одного электрона при поглощении фотона не приводит к и менению энергии других электронов.

4. Для каждого вещества существует определенная частота света V₀, ниже которой фотоэффект не происходит (в приближении, что температура ме­талла близка к T = 0 К). Эта частота V₀ и используемая чаще в спектроскопии соответствующая длина волны Х₀ = с/V₀, наз ываются красной границей фото­эффекта. Ее величина зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности. В соответствии с формулой (11.1) электрон сможет выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, т.е.

---

^hv> ^hv0 = ^.х^{, отк}уд^а

X = и А,„х (эВ)-Xf⁴⁰-. (11.2)

Лых ^Х0^(нм)

Для чистой поверхности большинства металлов А_вых >3 эВ, поэтому для них фотоэффект наблюдается только в ультрафиолетовой части спектра. Для некоторых щелочных и щелочноз емельных металлов А_вых составляет от 2 до 3 эВ, для них фотоэффект наблюдается и в видимой части спектра. С учетом то­го, что T > 0 К и электроны обладают не нулевой начальной энергией, рост фо­тотока начинается при частоте, несколько меньшей, чем V₀.

5. Квантовый выход фотоэффекта (отношение числа выбитых фотоэлек­тронов к числу падающих фотонов) является сложной функцией от частоты света; сначала он увеличивается с увеличением частоты, з атем проходит через максимум и далее может уменьшаться. Существенную роль играет то, что ко­эффициент отражения света от поверхности металла в видимой и ближней ультрафиолетовой областях велик и лишь малая часть и лучения поглощается в металле - квантовый выход много меньше единицы.

Фотоэлектронная эмиссия может быть представлена как результат трех последовательных процессов:

• поглощения фотона в приповерхностном слое внутри металла и появле­ние электрона с высокой энергией;

• движения этого электрона к поверхности, при котором его энергия может уменьшиться и - а в аимодействия с электронами, колебаниями кристалличе­ской решетки (фононами) и ее дефектами;

• выход электрона в вакуум через потенциальный барьер на границе метал­ла.

Не каждый быстрый электрон доходит до поверхности металла, средняя глубина выхода электронов меньше средней глубины поглощения фотонов. Это также уменьшает квантовый выход фотоэффекта.

В реальных устройствах после вылета электрона из поверхности металла катода он движется в электрическом поле, имеющемся между катодом и ано­дом. Разность потенциалов между катодом и анодом U складывается из внеш­него приложенного напряжения U_вн и контактной разности потенциалов U_K,

существующей между металлами катода и анода при их электрическом соеди­нении

U = U в_Н + U_K. (11.3)

---

После соединения в электрическую цепь (при электрическом контакте) между проводниками начинается обмен электронами, в ре ультате чего они приобретают противоположные з аряды. При этом электроны переходят из про­водника с меньшей работой выхода, который аряжается положительно, в про­водник с большей работой выхода, который приобретает отрицательный аряд. В условиях термодинамического равновесия установившаяся контактная ра - ность потенциалов равна разности работ выхода из проводников катода и анода и не ависит от свойств промежуточных элементов электрической цепи, соеди­няющих катод и анод. Контактная разность потенциалов может достигать не­скольких В. Поскольку катод (с малой работой выхода) аряжается положи­тельно, а анод - отрицательно, при U_ra =0 на вылетевшие из катода электроны будет действовать з адерживающая разность потенциалов U_к < 0. Ток между катодом и анодов во никает при условии

_mv²

—^>eU_з , U = U_m + U_к <0, (11.4)

₂ вн к

где e - элементарный аряд, U - полный апирающий потенциал. Поэтому ус­ловие появления фототока имеет вид

hv ^- А„,х = hv~ hv₀ = e\U з| = e|^U„ + UJ.(¹¹.5)

На явлении внешнего фотоэффекта основано использ ование вакуумных и га онаполненных фотоэлементов. Важнейшими характеристиками фотоэлемен­тов являются: 1) чувствительность интегральная и спектральная; 2) вольтамперная характеристика; 3) световая характеристика.

Интегральная чувствительность:

• = (116)

ЭФ

Спектральная чувствительность:

’ (11-7)

ЭФ^

где - изменение фототока, вызванное изменением светового потока на ве­личину ЭФ ; ЭФ_Х - изменение монохроматического потока с длиной волны X. У вакуумных фотоэлементов диапа он спектральной чувствительности лежит от 115 нм (ультрафиолетовое излучение) до 1200 нм (инфракрасное излучение).

Вольтамперная характеристика - это з ависимость фототока от напряже­ния на фотоэлементе при постоянном значении светового потока i=f(U).

2. Экспериментальная установка с сурьмяно-цезиевым фотоэлементом

---

В лабораторной работе используется вакуумный фотоэлемент типа СЦВ (сурьмяно-це иевый вакуумный), представляющий собой сферический стек­лянный баллон, из которого откачан воздух. В его центре расположен анод в виде кольца, фотокатод в виде тонкой пленки нанесен на одну половину внут­ренней поверхности баллона. Тонкая пленка наносится путем осаждения на подложку (обычно стекло) сначала паров сурьмы, а атем паров це ия, (эти операции могут чередоваться несколько раз). В результате образуется соедине­ние Cs₃Sb. В отличие от металлов оно имеет значительный отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть является полупроводни­ком. Проводимость Cs₃Sb хорошо описывается формулой

( ЬЕЛ

G = G0^exp - ^{, (11}.⁸⁾

• ^kT J

где энергия активации AE — 0,4 эВ (в интервале температур от 290К до 400К, [18]). Это вещество является полупроводником n-типа, основными носителями з аряда являются электроны.

Красная граница такого фотокатода X ₀ — 0,6 мкм. Дополнительная обра­ботка Cs₃Sb небольшим количеством кислорода (сенсибилизация) уменьшает работу выхода и сдвигает красную границу Х₀ в длинноволновую область спектра. Значительная интегральная чувствительность и высокий (в несколько ра выше, чем для остальных катодов) квантовый выход фотоэффекта сурьмя- но-це иевого фотокатода объясняется внутренним фотоэффектом в объеме ве­щества, сочетающимся с внешним фотоэффектом в его поверхностном слое.

Выводы катода и анода фотоэлемента сделаны чере два цоколя. Схема включения фотоэлемента указ ана на рис. 11.1.

Измерения проводятся в двух диапаз онах напряжений - от 0 до 150 В и от

1. до 10 В. Переключение диапазонов выполняется одним или двумя тумблера­ми (оба должны переключаться одновременно). Для питания электрической це­пи в первом диапазоне используется выпрямитель на 150В, во втором - элемент питания (батарейка) типа “Крона”. Для регулировки напряжения на фотоэле­менте в каждом диапазоне используется свой потенциометр R. В первом диапа­з оне напряжение измеряется стрелочным вольтметром, во втором - цифровым мультиметром. В диапаз оне от 0 до 10 В предусмотрена воз можность из мене- ния полярности напряжения и подачи на фотоэлемент отрицательной разности потенциалов. Переключение полярности напряжения выполняется двумя тумб­лерами (они должны переключаться одновременно). Для из мерения фототока в первом диапазоне используется стрелочный микроамперметр (цА), во втором - цифровой мультиметр с диапазоном 200мкА.

---