Для начала давайте поймем ключевые моменты в фотоэлектрическом эффекте.
o При фотоэлектрическом эффекте электроны испускаются из вещества (обычно из металлов и неметаллических твердых частиц) вследствие поглощения ими энергии электромагнитного излучения высокой частоты (короткой длины волны), такого как ультрафиолетовый свет.
o Когда электромагнитное излучение взаимодействует с атомом, оно либо возбуждает электроны до более высокого энергетического уровня, известного как возбужденное состояние, либо, если энергия света достаточно высока, оно может ионизировать атом, удаляя электрон.
o Для любого металла существует определенная, минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговой частотой.
Условия возникновения этого эффекта
· Рабочая функция Минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности материала.
· напряжение остановки. Напряжение, необходимое для полного баланса кинетической энергии электронов, выбрасываемых с поверхности материала.
При фотоэлектрическом эффекте электроны испускаются из вещества (металлов и неметаллических твердых частиц, жидкостей или газов) вследствие поглощения ими энергии электромагнитного излучения высокой частоты (короткой длины волны), такого как ультрафиолетовое излучение. Электроны, испускаемые таким образом, могут упоминаться как фотоэлектроны. Впервые это явление наблюдал Генрих Герц в 1887 году.
Фотоэлектрический эффект был продемонстрирован с использованием света с энергией от нескольких электронвольт (эВ) до более 1 МэВ в элементах с высоким атомным номером. Изучение фотоэлектрического эффекта привело к лучшему пониманию квантовой механики, а также к пониманию двойственности света между волнами и частицами. Это также привело к открытию Максом Планком квантов (E = h [latex] \ nu [/ latex]), которые связывают частоту ([latex] \ nu [/ latex]) с энергией фотонов (E).
Постоянная Планка, h, также известна как «квант действия». Это константа субатомного масштаба и одна из самых маленьких констант, используемых в физике. Другие явления, где свет влияет на движение электрических зарядов, включают фотопроводящий эффект (также известный как фотопроводимость или фоторезистивность), фотоэлектрический эффект и фотоэлектрохимический эффект.
Механизм эмиссии
Все атомы имеют свои электроны на орбитах с четко определенными уровнями энергии. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с атомом, оно может возбудить электрон до более высокого энергетического уровня, который затем может снова упасть, вернувшись в основное состояние. Однако, если энергия света такова, что электрон возбуждается выше энергетических уровней, связанных с атомом, электрон может фактически освободиться от атома, что приведет к ионизации атома. Это, по сути, фотоэлектрический эффект.
Фотоны пучка света имеют характерную энергию, пропорциональную частоте света. В процессе фотоэмиссии, если электрон в некотором материале поглощает энергию одного фотона и приобретает больше энергии, чем работа выхода материала (энергия связи электрона), он выбрасывается. Если энергия фотона слишком мала, электрон не может покинуть материал. Увеличение интенсивности света увеличивает количество фотонов в пучке света и, таким образом, увеличивает количество возбужденных электронов, но не увеличивает энергию, которой обладает каждый электрон. Энергия испускаемых электронов не зависит от интенсивности входящего света (числа фотонов), только от энергии или частоты отдельных фотонов. Это строго взаимодействие между падающим фотоном и внешним электроном.
Электроны могут поглощать энергию от фотонов при облучении, но они обычно следуют принципу «все или ничего». Как правило, один фотон либо достаточно энергичен, чтобы вызвать эмиссию электрона, либо энергия теряется, когда атом возвращается в основное состояние. Если избыточная энергия фотона поглощается, часть энергии освобождает электрон от атома, а остальная часть вносит вклад в кинетическую энергию электрона в виде свободной частицы.
Экспериментальные наблюдения фотоэмиссии
Для данного металла существует определенная минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговой частотой. Увеличение частоты падающего луча и сохранение фиксированного количества падающих фотонов (что приводит к пропорциональному увеличению энергии) увеличивает максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов. Число испускаемых электронов также изменяется, потому что вероятность того, что каждый воздействующий фотон приводит к испускаемому электрону, является функцией энергии фотона. Однако, если увеличить только интенсивность падающего излучения, это не повлияет на кинетические энергии фотоэлектронов.
Для данного металла и частоты падающего излучения скорость испускания фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Увеличение интенсивности падающего луча (поддержание частоты фиксированной) увеличивает величину фотоэлектрического тока, хотя напряжение торможения остается неизменным. Временной интервал между падением излучения и излучением фотоэлектрона очень мал, менее 10 -9 секунд, и на него не влияют изменения интенсивности.
Математическое описание
Максимальная кинетическая энергия выброшенного электрона определяется выражением
[Латекс] KE_ {макс} = HF- \ varphi [/ латекс]
где h - постоянная Планка (6,626 x 10 -34 м 2 кг / с), а f - частота падающего фотона. Термин [latex] \ varphi [/ latex] является работой выхода (иногда обозначаемой W или ϕ), которая дает минимальную энергию, необходимую для удаления делокализованного электрона с поверхности металла.
Рабочая функция удовлетворяет [latex] \ varphi = hf_ {0} [/ latex]
где f 0 - пороговая частота для металла. Тогда максимальная кинетическая энергия выброшенного электрона
[latex] KE_ {max} = h (f-f_0) [/ latex]
Кинетическая энергия должна быть положительной для выброса, поэтому мы должны иметь f> f 0 для возникновения фотоэффекта.
ФЭУ
Фотоумножители представляют собой чрезвычайно светочувствительные вакуумные трубки с фотокатодом, нанесенным на часть (конец или сторону) внутренней части оболочки. Фотокатод содержит комбинации материалов, таких как цезий, рубидий и сурьма, специально отобранных для обеспечения низкой работы выхода, поэтому при освещении даже очень низким уровнем света фотокатод легко высвобождает электроны. Посредством ряда электродов (динодов) при очень высоких потенциалах эти электроны ускоряются и существенно увеличиваются в количестве посредством вторичной эмиссии, чтобы обеспечить легко обнаруживаемый выходной ток. Фотоумножители до сих пор широко используются везде, где должны быть обнаружены низкие уровни света.
Источники - http://en.wiktionary.org/wiki/work_function
http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=File:Photoelectric_effect.svg&page=1