Фотоэлектронная эмиссия

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: класс, скачать реферат бесплатно на тему
| Добавил(а) на сайт: Жернаков.

т.е. при [pic] можно с большой степенью точностью измерять распределения полных энергий электронов. Неизмеряемая часть энергии [pic] будет наибольшей для электронов, начальная скорость которых направлена по касательной к поверхности эмиттера.Для всех других электронов ошибка будет еще меньше. Формула (7) остается верной и для системы, в которой внутренняя сфера заменена несферическим катодом достаточно малого размера. рис. показаны результаты измерения вольт-амперной характеристик для меди при трех длинах волн. Из спектрально разложенного потока излучения выделяются монохроматический пучок лучей, который направляется на внутерннюю сферу. Ток (очень слабый) измеряется электромером. Форму измеренных вольт-амперных характеристик истолковать нетрудно.
Горизонтальный участок ( это ток насыщения, текущий в ускоряющем поле. На рис.4 масштаб выбран так, что ордината, избражающая ток насыщения для всех длин волн, одинакова.В точке, где начинается понижение кривых, происходит переход от ускоряющего поля к тормозящему, и в этой точке напряжение батареи компенсирует контактную разность потенциаллов и истиное напряжение

[pic].
Для точек пересечения характерсеик с осью абсцисс выполняется соотношение

[pic]зап [pic]Фэм где Uзап - величина запирающего напряжения и Фэм- работа выхода эмиттера.
Таким образом, на основании закона Эйнштейна задерживающий потенциал, при котором ток прекращается, лиенйно зависит от частоты [pic] , причем по углу наклона прямой можно определитьh (если е считать известным ). На рис.3 паказаны прямые для Al[pic] и Cu ,

[pic]
Рис 3

причем для H получается 6,61([pic] эрг( сек, т.е. привосходное подтверждение закона Эйнштейна.

[pic] вольт-амперная характеристика для Cu Рис
4.

Этот опыт доказывает также, что энергия фотона [pic] в металле иожет переходить к одному из свободных электронов. В этом состоит особеность фотоэлектрического поглощения света в металлах. Положение начало вольт- амперной характеристики , т.е. точка ее пересечения с осью абсцисс ---, не зависит от работы выхода металла-эмиттера . Если обозначить напряжение батареи, при котором [pic] через Uзб , то

[pic]зап)ист=uзб+uкн=[pic]Фэм,

uкн=[pic](Фа-Фэм), то uзб=[pic] Фа),

т.е. при заданной частоте [pic] и одном и том же металле коллектора-анода вольт-амперные характеристики для различных металлических эмиттеров начинаются из одной и той же точки на оси абсцисс.

Вольт-амперная характеристика на участке тормозящего поля представляет собой интегральную кривую распределения электронов по энергиям.В самом деле, абсциссы этой кривой в некотором масштабе равны энергиии электрона, а анодный ток, отложенный по оси ординат:

Ia=e[pic][pic][pic],

где dNW -число электронов с энергиями в интервале от W до W+dW.Анодный ток Ia, таким образом, пропорционален числу электронов, энергии которых превращают величинуW1=eUa. Кривая, выражающая связь между энергией W1 и числом частиц, имеющих энергию, превышающую W1, называется интегральной кривой распределения, Чтобы получить обычную кривую распределения, нужно продифференцировать графически интегральную кривую распределения. Это сделано на рис.5

[pic] рис 5.

для интегральной кривой, измеренной при [pic] Как видно, максимальные энергии фотоэлектронов для металла, даже при освещении ультрафиолетовым светом, только немного превышают 1эв, а наиболее вероятная энергия
(максимум кривой), грубо говоря, вдвое меньше.

Фотографические свойства эмиттеров принято характеризовать несколькими величинами .Величина [pic]называется чувствительностью катода . В этой формуле j-падающий на фотокатод поток лучистой энергии определенной длины волны ,а [pic]( фототок ,вызванный этим потоком .Умножая числитель и знаменатель на время t ,получим в числителе количество электричества
,унесенное фототоком за время t ,а в знаменателе (энергию ,упавшую за то же время на фотокатод.Обычно чувствительность измеряют в кулонах на калорию
(к.кал -1). [pic]Чувствительность фотокатода можно также выразить в виде отношения числа элоктронов nе испускаемых фотокатодом ,к числу фотонов n р
,упавших на его поверхность за то же время .Величину n e(n р называют квантовым выходом ( ,т.е.

[pic]
В этом случае --- измеряется в электронах на квант (эл/кв).Если часть энергии излучения ,упавший на фотокатод ,отражается от него или проходит насквозь ,то для оценки эффективности фотокатода физически более целесообразно его чувствительность относить не к падающей, а к поглащенной энергии (или в случае квантового выхода , не к числу падающих ,а поглощенных квантов энергии ). Чувствительность фотокатода и квантовый выход зависят от длины волны [pic] падающего излучения . Зависимости
[pic] и или же [pic] называются спектральными характеристиками фотокатода .

Практически для фотоэлеметов больщий интерес представляет полный фототок ,возникающий при освещении сплошным спектром , даваемым раскаленным телом ,накпример , спиралью лампы накаливания . Характеристика фотокатода в этом случае называется интегральной чувствительностью и дается обычно в микроамперах на люмьен (мкл(лм -1) .Интегральная чувствительность , очевидно ,определяется спектральной характеристикой фотокатода и спектральным составом излучения.Обычно интегральная чувствительность фотокатода определяется при использовании стандартного источника облучения .Таким источником является вольфрамовая нить накала лампы при температуре ее, равной 2770К (яркостная температура при этом равна 2848К ).
Расмотрим кратко основы эксперементальной техники фотоэлектрических измерений. Для определения зависимостей [pic] требуется получение монохроматических потоков излучение различных длин волн и измерение их интенсивности.Тип источника излучения зависит от исследуемой спектральной области.В видимой части спектра [pic](1.5 эв[pic]3,1эв) обычно пользуются лампами накаливания, дающий непревывный спектр. В области ближнего ультрафиолета ([pic]) ;
(3,1эв[pic] 5,63 ) широкое распространение имеет ртутная кварцевая лампа, излучающая линейчатый спектр, содержащий большое количество спектральных линий. В области вакуумного ультрафиолета
[pic](6,2эв[pic]12,3эв) , как правило, используется искровой разряд.(это область спектра получило свое название в связи с тем, что излучение этих волн сильно поглощается в воздухе. Поэтому работать с этими излучениями этих длин волн можно лишь в аппаратуре, в которой давление воздуха меньше
10 -4-10 -5тор.) Монохроматизация излучение длин волн, больших 1200[pic], может быть осуществлена с помощью призменных спекртографов. При этом в качестве оптических материалов в видимой части спектра используется обычно стекло, в области ближайщего ультрафиолета до[pic] кварц. Могут применятся и другие материалы, например, кристалы NaCl.В интервале длин волн [pic] используются кристалы LiF. Излучение с более короткими длинами волн [pic] поглощается любыми известными оптическими материалами. Поэтому проведение исследований в коротковолновой области вакуумного ультрафиолета требует использования спектрографов с отражающими диспергирующими системами, например, с вогнутой дифракционной решеткой. Измерение интенсивностей потоков излучения обычно осуществляется с помощью специально калиброванных термопар, термостолбиков и фотоумножителей. В ряде случаев абсолютные значения фототоков при использующихся интенсивностях излучения малы и их измерение требует применения высокочувствительных измерителей тока. В ряде случаев абсолютные значения фототоков при используюшихся интенсивностях излучения малы и их измерение требует применения высокочувствительных измерителей тока . Рассмотрим результаты экпериментальных исследований спектральных характеристик фотокатодов из массивных металлов .Для щелочных , а также некоторых щелочноземельных металлов красная граница лежит в видемой части спектра ; для подавляющего же большинства металов она находиться в ультрофеолетовой области .Более детальные исследования фотоэффекта с различных металлов показали,однако, что при T >0 резкой красной границы не существует.В действительности фототок в области [pic] , близких к [pic], асимптотически приближается к нулю и определение [pic] из эксперементальной зависимости [pic], стого говоря, выполнено быть не может.
Лишь специальная математическая обработка экспериментальных данных позволяет найти[pic] . Отсутсвие резкой красной границы при Т > 0 легко понять,если учесть распределение по энергиям электронов внутри твердого тела.Пренебрежение величиной ,[pic].сделанное выше,является точным лишь при
Т=0 .При Т > 0 величина [pic] может быть больше нуля. Это приведет, во- первых, к фотоэффекту электронов с уровней энергии E > ([pic] , который может происходить и при[pic][pic] , а во-вторых, к наличию в фотоэмиссии электронов с кинетьическими энергиями,большими, чем.[pic]. Однако число электронов в металле с энергиями [pic] мало. Поэтому и вероятность фотоэлектрического поглощения при [pic] мала,и фототок также мал.При для всех металлов их квантовый выход возрастает при увеличении [pic] ; около красной границы рост фототока определяется зависимостью

[pic] iф [pic]

Качественно указанное возрастание Y с h[pic] легко объяснить из следующих простых соображений .При h >h интервал энергий электронов в металле , которые могут быть возбуждены светом до энергий [pic], достаточных для вылета из фотокатода , тем шире , чем больше [pic], если , однако, при этом[pic]( ( E1 , где E1( уровень дна зоны проводимости в металле.Поэтому при увеличении частоты света вероятность поглашения , сопровождающегося переходами электронов на уровни [pic], при том же общем числе поглащенных фотонов сделается больше, а следовательно и сила фототока, как правило, будет возростать. Кроме того, поглощение с данной начальной энергией E фотона большей энергии [pic] обусловливает немалую вероятность выхода такого электрона из более глубоких слоев фотокатода.Интервал частот излучений, с которыми проводились исследования,[pic] прилегающий к [pic], как правило, невелик и составляет примерно 0,5[pic]. В большей спектраьной области вблизи красной границы исследованы щелочные и отчасти щелочноземельные металлы (Ba) , ждля которых
[pic].Для них, в отличие от остальных металлов,спектральные характеристики в этой области энергий фотонов [pic] имеют максимум. Примеры эксперемтально полученных спектральных характеристик полученных вблизи красной границы для ряда металлов показаны на рис.слева.Данные, полученные в разных работах,а иногда даже и в одной и той же работе,не всегда хорошо согласуются между собой (рис. результаты для Be). Это объясняется тем,что квантовый выход металлический эммитеров вблизи красной границы очень чувствителен к чистоте поверхности и изменяется в десятки и даже сотни раз в процессе очистки и обезгаживания эмиттера. Абсалютные значения квантового выхода для чистых металлов в расматриваемом интервале [pic] имеют порядок 10 -5(10 -3 эл(вл и, очевидно, зависят от [pic], для [pic]эв [pic]эл(кв .Спектральную характеристику с монотонным ростом ( при увеличении [pic] принято называть нормальной характеристикой, а фотоэффект в этом случае (нормальным.Если же спектральная характеристика имеет максимум, фотоэффект обычно называют селективным.
Имеется ряд работ, относящихся к области вакуумного ультрафиолета.Число их невелико, и они были выполнены главным образом в середине пятидесятых годов. Спектральные характеристики квантового выхода [pic] при [pic]эв для ряда металлов приведены на рис. справа.Основные отличительные особенности квантового выхода в вакуумном ультрафиолете состоят в следующем.Для всех иследованных металлов численые значения ( при [pic]эв порядка 10-2 - 10-1 эл/кв и, следовательно ,в (10(100) раз превышают величины ( в видимой и ближней ультрафеолетовой областях спектра. Области высоких значений ( предшествует сильный рост ( в интервале h(((((((( эв.Согласно начало этого роста ( при h(((((((( эв совпадает с областью, в которой заметно уменьшается отражющая способность металлов и начинается значительный рост поглащения. После быстрого роста ( , как правило, наблюдается довольно пологий максимум, после которого следует спад кривой (( h(( ; в особенности отчетливо этот максимум обнаруживается для фотоэффекта с пленок.Начало спада ( совпадает примерно с областью, где поглощение начинает уменьшаться и существенно возрастает способность металлов пропускать излучение.

В области вакуумного ултрафеолета квантовый выход значительно менее чувствителен к состоянию поверхности , чем в области , прилегающей к красной границе .Прогрев металлов обычно уменьшает Y лишь примерно в 10 раз. пленки ,напыленные в измерительном приборе , в большинстве случаев характеризуются в 1,5(2 раза более низкими значениями Y , чем пленки тех же металлов , побывавшие в атмосфере.Так же как и в длинноволновой области
, имеется разброс (примерно в пределах одного порядка ) в значениях Y, измеренных разными авторами.
Целый ряд исследований посвящен выяснению влияния температуры катода на фототок. Первоначальные опыты со спектрально неразложенным светом давали неясные результаты и в общем устанавливали слабую зависимость iф от Т,если изменение температуры не вызвало изменения состояния поверхности, агрегатного состояния или фазовых превращений. Изучение фотоэффектаб вызываемого монохроматическим светом,не сомненно,установило температурный эффект.Прит этом фототок iф слабо меняется с Т для ( ( (о и резко возростает с повышением температуры при (~(o(и в особенности для (((o).
Примером могут служить данные для Рd ,приведенные на рис.6

[pic]
Рис 6.

По ведениетока было таково как будто (o уменьшалось с ростом температуры.Эффективная красная граница смещалась в область меньших ( с ростом Т , и вид спектральной характеристики в области (((o сушественно менялся ; кривая iф((( в этой области спектра делалась положе и определение (о становилась весьма не определенным .
Ценную информацию о механизме фотоэффекта могут дать резултаты исследований по энергетическим распределениям фотоэлектронов. Эти исследования проводились либо методом отклонения в магнитном поле, либо методом задерживающего потенциала.Как показали еще ранние иследования в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра , инергетический спектр фотоэлектронов эмиттированых массивными металлами непрерывен и занимает область от нуля до нектрого максимального значения Емах , определяемого соотношением Энштейна. Было показано , что при h( , близких к h(o , энергетический спектр фотоэлектронов слабо зависит от природы металла. Он изображается плавной кривой с максимумом рис.C ростом h( постепенно увеличивается относительное число медленных электронов, но общий характер кривой сохраняется
(см. рис 7. Кривые 1,2 и 3).

[pic]
Рис7.

Начиная с некоторого значения h(, характер кривых распределения усложняется
, значительно возрастает относительная доля медленных электронов и существкнно уменьшается количество фотоэлектронов с энергиями и близкими к ним. Для К, например , такое изменение энергетического спектра по наблюдается при h( ~ - E1 . Появление большого относительного количество медленых электронов в спектре фотоэлектронов при достаточно больших h( объяясняется обычно несколькими возможными причинами:
1) Большими потерями энергии, связанными с бозбуждением фотоэлектронами при их движении к поверхности плазменых колебаний
2) Потерями энергии при взаимодействии с электронами проводимости , превращающими быстрые внутеннии первичные фотоэлектроны в медленные ; некоторые из возбужденных электронов проводимости также принимать участие в фотоэмиссии в качестве медленных фотоэлектронов; таким образом, при этом механизме один поглощенный фотон достаточной энергии может способствовать возникновению двух медленных фотоэлектронов;
3) Однвременном возбуждением при поглощении одного кванта излучения двух электронов; в этом случае, как и в предыдущем, некоторые из фотонов достаточной энергии могут создавать два фотоэлектрона.Энергитический спектр фотоэлектронов по данным подтвержденным в последние годы в работе, также существенно меняется при переходе к очень тоньким металлическим пленкам.
Так, согласно при h(=3,38 эв энергитеческий спектр электронов для пленки толщиной в 8 атомных слоев заметно отличается от такового для пленки толщиной 40 атомных слоев рис.8