Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Термоэлектронный и фотоэлектрический эффекты

Источники электронов. Термоэлектронная эмиссия

Многие важнейшие эксперименты, ведущие к новым теориям и открытиям в атомной и ядерной физике, связаны с необходимостью получения в большом количестве электронов в условиях, когда можно было бы легко регулировать их число и энергию. Один из источников, удовлетворяющих этим требованиям, это — электрический разряд в газах. Другим, более ценным источником, является испускание электронов нагретыми телами. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия была открыта в 1883г. Томасом А. Эдисоном, когда он пытался улучшить эффективность изобретенной им за несколько лет до этого лампы накаливания. В ходе экспериментов Эдисон поместил металлическую пластину в колбу, в которой находилась нить накала, и затем откачал из колбы воздух до получения вакуума. Он наблюдал, что когда внешний вывод от пластины присоединялся к положительному концу нити накаливания, то, если нить была нагрета, электрические заряды текли с нити на внутреннюю часть пластины. Однако, если пластина соединялась с отрицательным концом нити накаливания, движения зарядов не происходило.

В то время, когда Эдисон делал свои наблюдения, современного представления об электронах еще не существовало. Только через двадцать лет после этого А. Дж. Флеминг получил патент на первую термоэлектронную лампу, пригодную для практического использования в качестве выпрямителя и детектора радиоволн. Этот тип лампы — двухэлектродная лампа, известная под названием диода, — остался в употреблении до сих пор. Спустя несколько лет, Ли де Форест добавил в конструкцию лампы третий электрод — сетку, что дало возможность использовать ее в качестве усилителя и генератора переменных токов высокой частоты, применяемых в радиотехнике, радиолокации и телевидении, На рис. 1 показан один из вариантов электрической схемы, используемой для изучения термоэлектронной эмиссии. Диод, показанный схематически, состоит из нити накала F и металлической пластины — анода Р, запаянных внутри вакуумного баллона. Нить накала нагревается электрическим током от батареи А. Батарея В и гальванометр G присоединены последовательно к аноду и одному концу нити накала. Если к аноду присоединен положительный полюс батареи B, то по цепи течет ток, а при подключении к нему отрицательного полюса батареи В ток не течет, гальванометр, измеряющий ток, показывает нуль.

Объясняется это тем, что нагретая нить накала испускает отрицательно заряженные электроны; следовательно, каждый раз, когда анод положителен по отношению к нити накала, электроны притягиваются анодом и проходят по электрической цепи к нити. Однако, если пластина отрицательна по отношению к нити накала, она отталкивает электроны, в результате чего ток в цепи отсутствует. Если нить накала нагрета до температуры Т, некоторые свободные электроны, имеющиеся в металле, «испаряются» из нити в окружающее ее пространство. Они образуют электронное облако вокруг нити накала. Когда число электронов, вылетающих из нити, становится равным количеству электронов, попадающих из газа обратно на нить, наступает состояние равновесия. Если между нитью накала и анодом имеется разность потенциалов, электроны притягиваются к аноду, а на их место приходят новые электроны, испаряющиеся из нити. Если напряжение сделать достаточно большим, на анод будет попадать столько же электронов, сколько их вылетает из нити. Дальнейшее увеличение напряжения на аноде уже не приводит к усилению тока через лампу.

На рис. 2 показана зависимость анодного тока от разности потенциалов V между анодом и нитью накала. Сначала ток растет при увеличении V. Но, начиная от точки В, любое дополнительное увеличение V уже не вызывает соответствующего увеличения тока. Уровень тока, достигаемый в точке В, называется током насыщения; для нити накала из определенного материала ток насыщения зависит от температуры. Если температура нити повышается от Т до Т¹ величина тока насыщения тоже возрастает.

Фотоэлектрический эффект

Иногда эксперименты, проводимые для проверки или подтверждения какой-либо теории, приводят неожиданно к совершенно новым идеям или представлениям или даже к новому ответвлению физики. Именно это произошло в 1887 г., когда немецкий физик Генрих Герц пытался показать справедливость мысли о том, что свет распространяется как электромагнитная волна.

Эта идея впервые была высказана в 1864 г. шотландцем Джемсом Максвеллом. Двадцать три года спустя Герц достиг успеха в получении электромагнитных воли. Он использовал переменный ток высокой частоты для питания цепи, в которой имелся воздушный промежуток между двумя сферическими электродами, где проскакивала электрическая искра. В поисках способов увеличения размеров искры, он стал облучать искровой промежуток ультрафиолетовым светом и заметил, что зазор при этом начинал лучше проводить ток. Через год после опыта Герца, Холлуэкс провел дальнейшие исследования, облучая ультрафиолетовым светом цинковую пластинку, присоединенную к электроскопу (рис. 3) — прибору, измеряющему малые электрические заряды. Когда пластина была заряжена отрицательно, ультрафиолетовый свет, падающий на ее поверхность, вызывал потерю заряда цинковой пластинкой. Но если пластина заряжалась положительно, то потери заряда в результате действия света не происходило.

Из этого опыта стало ясно, что под действием ультрафиолетового света только отрицательные заряды испускались цинковой пластинкой или выбивались из ее поверхности.

Это явление известно под названием фотоэлектрического эффекта. Отрицательные заряды, испускаемые при фотоэлектрическом эффекте, являются, как теперь известно, электронами; иногда их называют фотоэлектронами.

Энергия фотоэлектронов

Фотоэлектрический эффект подвергся всестороннему изучению вследствие его важности в развитии новых идей и представлений, а также в связи с возможностью его практического применения. На рис. 4 изображен типичный фотоэлектрический элемент. Внутри стеклянного баллона находятся изогнутая металлическая пластина Р, являющаяся фотоэлектрической поверхностью, и проволока А, служащая анодом для сбора фотоэлектронов, испускаемых поверхностью Р при падении на нее света. Фотоэлектрический ток (количество электронов, перемещающихся за одну секунду от поверхности Р к аноду А) измеряется гальванометром G, соединенным последовательно с фотоэлектрической поверхностью, анодом и батареей В. Баллон откачан до самого высокого вакуума, какой только может быть получен.

Фотоэлектрический ток, как показывает эксперимент, прямо пропорционален интенсивности света, т. е. количеству излучения, падающему на единицу поверхности Р за единицу времени. Это означает, что число электронов, испускаемых в секунду, пропорционально интенсивности света.

Измерения кинетической энергии фотоэлектронов показывают, что эта энергия зависит от природы света, но не от его интенсивности. Именно она зависит от длины волны или частоты света.

Милликен в 1916 г. в ряде весьма тщательных опытов применил в качестве фотоэлектрических поверхностей натрий и калий. Эти поверхности он облучал светом различных длин волн. Для каждой длины волны Милликен определил максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов , измеряя на аноде А отрицательное напряжение, которое требовалось приложить, чтобы уменьшить до нуля фотоэлектрический ток.

Результаты опыта Милликена лучше всего представить в виде графика (рис. 5). На этом графике вдоль вертикальной оси отложена максимальная кинетическая энергия испускаемых фотоэлектронов, а по горизонтальной оси — частота v падающего света. Для каждой металлической поверхности график представляет собой прямую линию. Это можно записать в виде следующего уравнения: В этом уравнении h определяет наклон линии, av0 представляет собой наименьшую частоту света, при которой может происходить испускание электронов из данной исследуемой поверхности. Предельная частота v0 называется пороговой частотой рассматриваемого вещества.

Наклон линии h является постоянной величиной. Он совершенно не зависит от природы поверхности. Константа h, известная под названием постоянной Планка, играет весьма важную роль в атомных явлениях. В настоящее время принято значение этой константы .

 

Уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта

Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты падающего излучения — световых лучей — необъяснима с точки зрения электромагнитной теории света, которая требует соответствия между интенсивностью падающего света и энергией фотоэлектронов; результаты исследований явления испускания фотоэлектронов противоречат этой теории. Первое истолкование закономерностей фотоэлектрического эффекта относится к 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался представлением о квантах энергии — понятием, предложенным за пять лет до этого Максом Планком для объяснения распределения по различным длинам волн энергии, излучаемой при высокой температуре «черным телом», т. е. телом, поглощающим все падающее на него излучение.

В соответствии с теорией Планка, энергия Е кванта, или элементарная порция излучаемой энергии, прямо пропорциональна частоте v излучения. Таким образом, E = hv где h — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка. Квант энергии излучения hv называют также фотоном. По представлениям Эйнштейна, при фотоэлектрическом эффекте каждый электрон выбивается из металла под действием отдельного фотона (рис. 6), причем в этом процессе фотон теряет всю свою энергию. Часть этой энергии, р, затрачивается на разрыв связи электрона с металлом.

Применяя к данному явлению закон сохранения энергии, можно написать следующее выражение для кинетической энергии электрона, вылетевшего из поверхности металла:

Это выражение известно как уравнение Эйнштейна для фото-электрического эффекта. Здесь m представляет собой массу электрона, a ϑ — его скорость. Для электронов, вылетающих из металла с наибольшей кинетической энергией, р имеет минимальную величину, которую можно выразить как р = hv0. Уравнение Эйнштейна, таким образом, оказывается идентичным уравнению прямой линии, изображенной на рис. 6.

Фотоэлектрический эффект проявляется при действии света не только на металлические поверхности. Он может наблюдаться также в газах, жидкостях и в твердых телах. Излучение, которое может вызвать фотоэлектрический эффект, занимает широкий диапазон электромагнитных волн от чрезвычайно коротковолновых рентгеновых и гамма-лучей до инфракрасного излучения с очень большой длиной волны. Изучение кинетических энергий фотоэлектронов, испускаемых при фотоэлектрическом эффекте, дает нам возможность определить величины р и, следовательно, открывает пути к получению важных сведений о происхождении фотоэлектронов.

Вторичная эмиссия электронов

Атомы твердого вещества расположены настолько близко друг к другу, что некоторые из внешних электронов становятся общими для соседних атомов или, как например в металлах, даже получают возможность свободно перемещаться от одного атома к другому. Это связано с наличием электрических сил между электронами и ядрами соседних атомов. Свободных электронов, или лучше электронов проводимости, имеется в среднем около одного или двух на каждый атом. Их можно вывести из вещества наружу, затратив на это достаточную энергию. Мы ознакомились с двумя методами, пригодными для этого: нагревом металла,

приводящим к термоэлектронному эффекту, и действием энергии излучения, т.е. фотоэлектрическим эффектом.

Третий способ, имеющий важное практическое значение, состоит в том, что необходимая энергия берется за счет бомбардировки металла электронами, полученными от других источников (рис. 7).

Бомбардирующие твердое тело электроны, называемые также первичными электронами, вызывают испускание вторичных электронов. В то время как при фотоэлектрическом эффекте под действием одного фотона вылетает только один электрон, попадание в твердое тело одного первичного электрона может привести к испусканию нескольких вторичных электронов. Отношение числа вторичных электронов к числу первичных колеблется от единицы до пяти в зависимости от природы твердого тела и энергии первичных электронов. Минимальная энергия первичного электрона, необходимая для образования вторичного, составляет около 10 электронвольт (эв).

Энергия вторичных электронов меняется в широких пределах в зависимости от энергий первичного электрона и электронов, находящихся внутри твердого тела. Явление вторичной электронной эмиссии используется при конструировании термоэлектронных ламп, применяемых в радиотехнике и телевидении, а также при создании фотоумножителей, широко используемых в ядерной физике.

Фотоумножитель

Фотоумножитель представляет собой чрезвычайно чувствительный фотоэлемент, конструктивно связанный с усилителем, обладающим очень высоким коэффициентом усиления. Его действие связано со вторичной эмиссией электронов с дополнительных электродов, вмонтированных в прибор. На рис.8 изображена

схема устройства фотоумножителя. На этой схеме Р представляет собой фоточувствительный катод. Свет, попадая на катод Р, вызывает вылет из него электронов. Между катодом и первым электродом, обычно называемым динодом, приложена разность потенциалов 100 в. При ударе фотоэлектрона о динод происходит испускание нескольких вторичных электронов. На рисунке отношение числа вторичных электронов к числу первичных составляет четыре к одному. На следующих пяти динодах, каждый из которых поддерживается при потенциале, на 100 в превышающем потенциал предыдущего динода, также происходит вторичная эмиссия электронов.

Предположим, что попадание фотоэлектрона в динод 1 привело к испусканию R электронов; R представляет собой отношение чисел вторичных и первичных электронов. Если такое же соотношение характеризует процессы, происходящие на всех остальных динодах, то динод 2 испустит R² электронов, динод 3 — R³ электронов и последний, или n-й динод, испустит R в n степени электронов.

Современные фотоумножители содержат от десяти до шестнадцати динодов. Электроны с n-го динода попадают на анод А, и соответствующий ток регистрируется специальным устройством.

Некоторые представления об усилении, создаваемом фотоумножителем, можно получить, приняв R равным четырем и предположив, что число динодов n равно десяти. При таких данных умножитель будет иметь коэффициент усиления, равный 1 ООО ООО. Следовательно, если одиночный фотон вызовет вылет одного электрона с фоточувствительного катода Р, то на аноде соберется 1ООО ООО электронов. Это вполне измеримый заряд. Можно изготовить высокоэффективные фотоумножители, обладающие коэффициентом умножения в один миллиард.

Фотоумножители в сочетании с каким-либо из флуоресцирующих веществ, называемых фосфорами, в настоящее время широко используются для регистрации и счета фотонов и частиц высокой энергии, таких как электроны, протоны, альфа-частицы и другие микрообъекты, играющие важную роль в строении ядра и его частей. В сочетании со счетными и анализирующими схемами эти устройства называются сцинтилляционными счетчиками.

На рис. 9 изображен фосфор, укрепленный на фотоумножителе, используемом в качестве сцинтилляционного счетчика. Если какое-либо излучение проникнет сквозь алюминиевую фольгу и вызовет сцинтилляцию в некоторой точке S, то свет от этой сцинтилляции непосредственно или после отражения от алюминия попадет на фотокатод. Ценность фосфоров, употребляемых в сцинтилляционных счетчиках, связана с малой продолжительностью светового импульса, возникающего в точке S. Продолжительность светового импульса от фосфора, пригодного для этой цели, составляет около 10 в минус 8 степени сек (одна стомиллионная доля секунды).

Г.Семат, Г.Э. Уайт - Физика атомного века /
Перевод с английского А.В.Давыдова

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
Яндекс.Метрика