§ 274. Фотоэлектрический эффект

Внешний фотоэффект.

Для изучения этого явления исследуемое вещество используется в форме катода вакуумной трубки. Свет направляется на катод и вырывает из него электроны. Электроны, достигающие анода, создают фотоэлектрический ток, величина которого исследуется в зависимости от внешних обстоятельств.

Характерным для вещества является, конечно, полный ток, снимаемый с катода. Поэтому и здесь работают обычно в режиме тока насыщения. Если к фотоэлементу напряжение не приложено, то через прибор идет слабый ток, создаваемый частью электронов, вылетевших из катода в направлении анода. Слабое ускоряющее

напряжение не соберет еще всех электронов, но при некотором его значении все электроны добираются до анода — устанавливается ток насыщения.

Опыт показывает, что сила фототока строго пропорциональна интенсивности падающего света. Это справедливо для света любой частоты, создающей фотоэффект.

Более того, утверждается, что число выбитых электронов в точности равно числу фотонов. Один фотон может вырвать один электрон. Таким образом, не допускается такой процесс, при котором один фотон, постепенно теряя энергию, вырвал бы из вещества несколько электронов» Это важное положение несколько трудно доказать, изучая внешний фотоэффект, поскольку он всегда может сопровождаться внутренним фотоэффектом (см. циже) и часть электронов мояют не выйтя за пределы вещества,

При взаимодействии фотона с электроном должны соблюдаться законы сохранения энергии и импульса. Закон сохранения энергии (уравнение Эйнштейна) имеет вид

где потенциал выхода электрона из металла (тот же, что и в опытах по термоэлектронной эмиссий). Необходимость соблюдения закона сохранения импульса приводит к заключению, что в процессе взаимодействия фотона с электроном должна принимать участие решетка металла (иначе электроны могли бы двигаться лишь в том же Направлении, что и фотоны).

Любой фотон может произвести фотоэффект, если только его энергия по крайней мере равна работе выхода. Отсюда следует, что Для каждого материала существует своя граница фотоэффекта. Граничная частота равна граничная длина волны в миллимикронах («красная» граница фотоэффекта) равна если выражать в вольтах. При облучении вещества светом с большей длиной волны фотоэффект невозможен. «Красная» граница фотоэффекта для будет , т. е. соответствует желтой части видимого спектра; — ультрафиолет; для — фиолетовая часть видимого спектра.

Если энергия фотона больше работы выхода, то ее излишек идет на кинетическую энергию электрона. Таким образом, жесткое излучение способно создать очень быстрые фотоэлектроны.

Для точного измерения граничной частоты и работы выхода используют метод задерживающего потенциала. Для этого накладывают на фотоэлемент слабое задерживающее напряжение (плюс на фотокатоде) и повышают его до прекращения тока. Этот момент наступает, когда Таким образом можно построить опытную зависимость от частоты света

Должна получиться прямая линия с угловым наклоном, позволяющим вычислить универсальную константу Две характеристики вещества — граничная частота и потенциал выхода получаются как отрезки, отсекаемые прямой на осях (рис. 305).

Пример. Если на медную пластинку падает мягкое рентгеновское излучение , то задерживающее напряжение прекратит фототок, когда

Следовательно, задерживающий потенциал будет равен 120 В.

Другая важная характеристика материала фотокатода — это спектральная зависимость фототока. Здесь нет каких-либо простых закономерностей. Кривая начинается от граничной частоты и во многих случаях довольно монотонно растет; можно сказать, что с энергией фотонов повышается коэффициент их использования. Однако в иных случаях спектральные кривые имеют ясно выраженные максимумы, лежащие в довольно узкой спектральной области.

Рис. 305.

Фотоэлементы, использующие внешней фотоэффект, широко распространены. Они применяются в фотореле, телевидении, звуковом кино. В качестве фотокатодов служат серебро, цезий, калий; распространены сурьмяно-цезиевые катоды.

При употреблении в различных фотореле бывает несущественной пропорциональность фототока интенсивности света; напротив, важна чувствительность фотоэлемента. В этих случаях можно использовать вместо вакуумных фотоэлементов газонаполненные. Чувствительность повышается в десятки раз.

Внутренний фотоэффект.

Если действие фотона сводится к перемещению электрона из заполненной зоны на уровень примеси или уровень проводимости, то мы говорим о внутреннем фотоэффекте. В результате этого явления в теле под действием света могут образоваться электроны проводимости и дырки. Они должны образовываться парами. Строго говоря, пара зарядов должна приходиться на один фотон. Явление крайне осложняется протеканием внутри тела вторичных процессов, являющихся следствием рекомбинации электронов и дырок.

Как ясно из сказанного, внутренний фотоэффект есть явление, особенно характерное для полупроводников, но оно наблюдается и в изоляторах.

Полупроводники, обладающие этим эффектом, включаются в цепь тока в качестве так называемых фотосопротивлений. В темноте

такое тело обладает весьма малой (темновой) проводимостью. При облучении светом проводимость растет. Для внутренних переходов электрона бывают достаточны энергии в десятые доли электрон-вольта. Поэтому порог внутреннего фотоэффекта может лежать в далекой инфракрасной области.

Фотосопротивления широко используются для сигнализации и автоматики всюду, где нужно превратить в действие или зафиксировать слабейшие изменения в интенсивности света.