Фотоэлектронная эмиссия (стр. 6 из 7)

квантомеханическая теория фотоэффекта

Основы квантомеханической теории фотоелектронной эмиссии металлов были созданы И. Е. Таммом и С. П. Шубиным и впоследствии уточнены и дополнены Митчелом и другими исследователями . Об исходных положениях теории Тамма-Шубина-Митчела и ее результатах мы здесь скажем только очень немного .

При построении теории прежде всего надо было выяснить , каким образом свободные электроны металла могут поглащать фотоны. Дело в том , что совершенно не связанный электрон не может целиком поглотить фотон , так как при этом нельзя одновременно удовлетворить законам сохранения энергии и сохранения импульса .

Например , для наиболее простого сучая поглощения фотона покоящимся электроном эти два закона можно записать так

где v – скорость электрона после акта поглащения. Но эти два уравнения несовместимы при любых v<c ,откуда и следует , что фотоэлектрическое поглащение(так можно назвать случай , когда фотон поглащаетсся целиком ) фотона электроном ,несвязанным ни с каким третьим телом ,невожможно. Это можно показать и в общем случае.

Но фотоэлектрическое поглощение возможно для электронов связанных в атоме или кристале . В частности , связью для свободных электронов металла служит их взаимодействие с периодическим полем внутри кристалла и с полем в поверхностном слое , т.е. с поверхностным потенциальным барьером. Соответственно этим двум видам связи фотоэлектронная эмиссия разделяется на поверхностную , возниккающую в граничном слое толщиной порядка 10 ^-7см, и объемную , возникающую внутри решотки кристалла.Расчет показал, что фотоэлектронной эмиссии металла главную роль играет поверхностная компонента , несмотря на то , что с поверхностном слое поглащается только очень небольшая доля энергии подуюшего света .Что же касается объемной компоненты эмиссии, то она делается заметной только при частотах, много больших граничной . Экспериментальное подтверждение этого результата теории можно видеть в опытах по определению глубины зарождения фотоэлектронов . Если измерять фототок с пленок металла различной толщины (толщина пленки увеличивается путем осаждения на нее новых слоев металла ) , то оказывается , что, начиная с толщины в 10-15 атомных слоев , как фототок , так и распределение скоростей фотоэлектронов перестают зависеть от толщины пленки , оставаясь такими же , как для массивного металла . В то же время свет проникает в металл гораздо глубже , так как пленки толщиной даже в 100 атомных слоев еще проницаемы для света . Это доказывает , что подавляющее большинство фотоэлектронов зараждается в поверхностном слое металла . Теория Тамма - Шубина - Митчелла позволяет вычислить фотоэлектронный ток , найти его зависимость от поляризации и определить вид спектральной характеристики , а также распределение скоростей фотоэлектронов . Качественное совпадение с экспериментом во всех отношениях получается хорошее , и в некоторых случаях можно говарить даже о количественном соответствии теории и эксперимента .Следует отметить,что оптические свойства металлов недостаточно изучены и это припятствует получению хороших количественных результатов.

Применение

В настоящее време на основе внешнего и внутерннего фотоэффекта строится бесчисленное множиство приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединненых общим названием-фотоэлементы. Они находят весьма широкое применение в технике и научных исследованиях. Самое разное объективные и оптические измерения немыслимы в наше время без применения того или иного типа фотоэлементов.Современная фотометрия, спектрометрия и спектрофотометрия в широчайшей оласти спектра, спетральный анализ вещества, объективное измерение весьма слабых световых потоков,наблюдаемых,например, при изучении спектров комбинационого рассеяния света,в астрофизике, биологии, и т.д. трудно представить себе без применения фотоэлементов; регистрация инфракрасных спектров часто осуществяется специальными фотоэлементами для ллиноволновой области спектра.Необычайно широко используется фотоэлементы в технике: контроль и управления производственными процессами,разнобразные системы связи от передачи изображения и телевидения до оптической на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень областей применения фотоэлементов при решении разнообразнейших вопросов в современной промышленности и связи.Огромное разнообразие задач,решаемых с помощью фотоэлементов, вызывало к жизни чрезвычайно большое разнообразие типов фотоэлементов с различными техническими характеристиками.Выбор оптимального типа фотоэлементов для решения каждой конкретной задачи основывается на знании этих характеристик.Очень важным достоинством вакуумныхвакумных фотоэлементов является их высокая постоянство и линейность связи светого потока с фототоком.Поэтому они длительное время преимущественно использовались в обективной фотометрии, спектрометрии, и спектрофотометрии и спектральным анализе в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.Главным недостатком вакуумных фооэлементов при световых измерениях следует считать малость электрических сигналов, вырабатываемых этими приемниками света.Последний недостаток полностью устраняется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ),представляющих как бы развитие фотоэлементов.ФЭУ были впервые построены в 1934 г. Принцип действия ФЭУ можно проследить на рис. 10

Ф Э₁

Э ₃

А