Какой фотоэффект. Изучение фотоэффекта

§ 3 . Фотоэффект

Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света.

Обнаружил явление фотоэффекта Генрих Герц (1857 – 1894) в 1887 году. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами.

Затем в1888-1890 -х годах фотоэффект исследовал Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896).

Он установил, что:

наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

с ростом светового потока растет фототок;

заряд частиц, вылетающих из твердых и жидких тел под действием света отрицателен.

Параллельно со Столетовым фотоэффект исследовал немецкий ученый Филипп Ленард (1862 – 1947).

Они и установили основные законы фотоэффекта.

Прежде чем сформулировать эти законы, рассмотрим современную схему для наблюдения и исследования фотоэффекта. Она проста. В стеклянных баллон впаяны два электрода (катод и анод), на которые подается напряжениеU. В отсутствии света амперметр показывает, что тока в цепи нет.

Когда катод освещается светом даже при отсутствии напряжения между катодом и анодом амперметр показывает наличие небольшого тока в цепи – фототока. То есть электроны, вылетевшие из катода, обладают некоторой кинетической энергией
и достигают анода «самостоятельно».

При увеличении напряжения фототок растет.

Зависимость величины фототока от величины напряжения между катодом и анодом называется вольтамперной характеристикой.

Она имеет следующий вид. При одной и той же интенсивности монохроматического света с ростом напряжения ток сначала растет, но затем его рост прекращается.Начиная с некоторого значения ускоряющего напряжения, фототок перестает изменяться, достигая своего максимального (при данной интенсивности света) значения. Этот фототок называется током насыщения.

Чтобы «запереть» фотоэлемент, то есть фототок уменьшить до нуля, необходимо подать «запирающее напряжение»
. В этом случае электростатическое поле совершает работу и тормозит вылетевшие фотоэлектроны

. (1)

Это означает, что ни один из вылетающих из металла электронов не достигает анода, если потенциал анода ниже потенциала катода на величину
.

Эксперимент показал, чтопри изменении частоты падающего света начальная точка графика сдвигается по оси напряжений. Из этого следует, что величина запирающего напряжения, а, следовательно, кинетическая энергия и максимальная скорость вылетающих электронов, зависят от частоты падающего света.

Первый закон фотоэффекта . Величина максимальной скорости вылетающих электронов зависит от частоты падающего излучения (растет с ростом частоты) и не зависит от его интенсивности.

Если сравнить вольтамперные характеристики, полученные при разных значениях интенсивности (на рисункеI 1 и I 2) падающего монохроматического (одночастотного) света, то можно заметить следующее.

Во-первых, все вольтамперные характеристики берут начало в одной и той же точке, то есть, при любой интенсивности света фототок обращается в ноль при конкретном (для каждого значения частоты) задерживающем напряжении
. Это является еще одним подтверждением верности первого закона фотоэффекта.

Во-вторых. При увеличении интенсивности падающего света характер зависимости тока от напряжения не изменяется, лишь увеличивается величина тока насыщения.

Второй закон фотоэффекта . Величина тока насыщения пропорциональная величине светового потока.

При изучении фотоэффекта было установлено, что не всякое излучение вызывает фотоэффект.

Третий закон фотоэффекта . Для каждого вещества существует минимальная частота (максимальная длина волны) при которой еще возможен фотоэффект.

Эту длину волны называют «красной границей фотоэффекта» (а частоту – соответствующей красной границе фотоэффекта).

Через 5 лет после появления работы Макса Планка Альберт Эйнштейн использовал идею дискретности излучения света для объяснения закономерностей фотоэффекта. эйнштейн предположил, что свет не только излучается порциями, но и распространяется и поглощается порциями. Это означает, что дискретность электромагнитных волн – это свойство самого излучения, а не результат взаимодействия излучения с веществом. По Эйнштейну, квант излучения во многом напоминает частицу. Квант либо поглощается целиком, либо не поглощается вовсе. Эйнштейн представил вылет фотоэлектрона как результат столкновения фотона с электроном металла, при котором вся энергия фотона передается электрону. Так Эйнштейн создал квантовую теорию света и, исходя из нее, написал уравнение для фотоэффекта:

Здесь – постоянная Планка,– частота,
– работа выхода электрона из металла,
– масса покоя электрона,v – скорость электрона.

Это уравнение объясняло все экспериментально установленные законы фотоэффекта.

Так как работа выхода электрона из вещества постоянна, то, с ростом частоты, растет и скорость электронов.

Каждый фотон выбивает один электрон. Следовательно, количество выбитых электронов не может быть больше числа фотонов. Когда все выбитые электроны достигнут анода, фототок расти прекращает. С ростом интенсивности света растет и число фотонов, падающих на поверхность вещества. Следовательно, увеличивается число электронов, которые эти фотоны выбивают. При этом растет фототок насыщения.

Если энергии фотоны хватает лишь на совершение работы выхода, то скорость вылетающий электронов будет равна нулю. Это и есть «красная граница» фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект наблюдается в кристаллических полупроводниках и диэлектриках. Он состоит в том, что под действием облучения увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока (электронов и дырок).

Иногда это явление называют фотопроводимостью.

Фотоэффектом называется явление вырывания электронов под действием света из жидких и твердых веществ.

2. Опишите принципиальную схему опыта Столетова. Что такое фототок и фотоэлектроны?

В вакуумную трубку помещали два электрода - катод и анод, которые подключали к источнику напряжения. Тока в цепи не было без освещения катода. При освещении вырываемые светом из катода электроны притягиваются к аноду.

Фототоком называется возникающий в цепи под действием света ток, а фотоэлектронами - вырванные электроны.

3. Сформулируйте три закона фотоэффекта и объясните вольтамперную характеристику при фотоэффекте. Как она будет выглядеть при большей интенсивности света?

Законы фотоэффекта:

1) фототок насыщения пропорционален интенсивности света, который падает на катод.

2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света и прямо пропорциональна его частоте.

3) существует минимальная частота света для каждого вещества, ниже которой фотоэффект не возможен. Она называется красной границей фотоэффекта.

При малых напряжениях только часть фотоэлектронов достигает анода. Чем больше разность потенциалов, тем больше фототок. При некотором значении напряжения он становится максимальным, его называют фототоком напряжения. При большей интенсивности света фототок насыщения будет больше, и график пойдет выше.

4. Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Какую величину называют работой выхода?

Энергия фотона идет на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии и на совершение работы выхода. Работой выхода называют минимальную работу, которую необходимо совершить для удаления электрона из металла. Красная граница фотоэффекта.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от интенсивности света.

hν = А вых + Е к(max)

Энергия падающего фотона расходуется на преодоление работы выхода электрона из вещества и сообщение электронам кинетической энергии

Работа выхода электронов из металла равна минимальной энергии, которой должен обладать электрон для освобождения с поверхности вещества.

Существует внешний и внутренний фотоэффект .

1. Фотоэффект невозможен, если энергии падающего фотона недостаточно для преодоления работы выхода, hν < А вых

2. Если hν min = А вых - порог фотоэффекта.

Частота и длина волны красной границы фотоэффекта:

ν min =А вых /hλ max =hc/A вых

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Кванты	Согласно Планку, любое излучение (в том числе и свет) со-стоит из отдельных квантов. Вследствие этого энергия излучения всегда равна энергии целого числа квантов. Однако энергия oтдельного кванта зависит от частоты.
Энергия кванта, или квант энергии	— частота излучения, Дж·с —постоянная Планка
Кванты излучения, частоты (или длины волн), которых соответствуют области видимого света, называются световыми квантами.
Связь между энергией и массой	— масса, отвечающая энергии W, м/с — скорость света в вакууме
Фотон	Квантование энергии означает, что излучение представляет собой поток частиц. Эти частицы называются фотонами,однако они не являются частицами в смысле классической физики.
Масса фотона	Дж·с— постоянная Планка, — частота излучения, — длина волны излучения, с — скорость света в вакууме
Фотоны всегда движутся со скоростью света; они не существуют в состоянии покоя, их масса покоя равна нулю
Импульс фотона
Фотоэффект	Испускание электронов веществом под действием света электромагнитного излучения.
Законы фотоэффекта
I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (закон Столетова).
II. Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой
III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частотасвета (зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Четырех учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной кинетической энергии электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэф-фекта, от интенсивности / падающего света. Какой рисунок выполнен правильно?	Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света. Следовательно, правильно выполнен рисунок 4).
Схема для исследования фотоэффекта
Вольт-амперная характеристика фотоэффекта	Зависимость фототока I , образуемого потоком электронов, испускаемых под действием света, от напряжения U между электродами. — фототок насыще-ния.Определяется таким значением U, при кото-ром все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.
— задерживающее напряжение. При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода.
Величина Uз не зависит от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света.	Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света
Фотоэлемент освеща-ют светом с определенными частотой и интенсивностью. На рисунке представ-лен график зависимости силы фототока в этом фотоэлементе от приложенного к нему на-пряжения. В случае увеличе-ния частоты без изменения ин-тенсивности падающего света график изменится. На каком из приведенных рисунков правильно показано изменение графика?	При неизменной интенсивности величина фототока не зависит от частоты. При изменении частоты изменяется запирающее напряжение. Этим условиям соответствует рисунок 1).
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта	А - работа выхода электронов Энергия падающего фо-тона расходуется на энер-гию выхода электрона из металла и на сообщение вылетающему электрону максимальной кинети-ческой энергии.
Это уравнение выведено на основе квантовой тео-рии фотоэффекта,соглас-но которой свет частотой v не только испускается,но и распространяетсяв пространстве и поглоща-етсявеществом отдельны-ми порциями (квантами), энергия которых
Слой оксида кальция облу-чается светом и испускает электро-ны. На рисунке показан график изменения максимальной кине-тической энергии фотоэлектро-нов в зависимости от частоты па-дающего света. Чему равна работа выхода фотоэлектронов из оксида кальция?	По графику находим: При ν = 1·10 15 Гц E k = 3·10 -19 Дж Из уравнения Эйнштейна A = h ν - E k A = 6,6·10 - 34 ·1·10 15 - 3·10 -19 = 3,6·10 -19 Дж = = 3,6·10 -19 /1,6·10 -19 = 2,25 эВ
На графике приведена зависимость фототока от прило-женного обратного напряжения при освещении металлической пластины (фотокатода) излу-чением с энергией 4 эВ. Чему равна работа выхода для этого металла?	Фототок прекращается при U з = 1,5 В. Следовательно, максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона E k = 1,6·10 -19 Кл·1,5 В/1,6·10 -19 Дж = = 1,5 эВ. Работа выхода электрона с поверхности пластины A = h ν - E k = 4 - 1,5 = 2,5 эВ
Красная граница фотоэффекта
— максимальная длина волны падающего света (— соответственно минимальная частота), при которой фотоэффект еще возможен.
Работа выхода выражается в электронвольтах	1эВ = 1,6·10 -19 Дж

Какой график соответствует зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлек-тронов Е от частоты падающих на вещество фотонов при фотоэффекте (см. рисунок)?	Фотоэлектроны приобретают максимальную кинетическую энергию в том случае, когда частота падающих фотонов превосходит красную границу фотоэффекта. На графике красной границе соответствует точка А. Следовательно, условиям задачи соответствует график 3.
Давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность	— коэффициент отражения; — энергия всех фотонов, падающих на единицу поверх-ности в единицу времени.
Объяснение давления света
на основе квантовой теории	Давление света на по-верхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверх-ностью передает ей свой импульс.
на основе волновой теории	Давление света на по-верхность обусловлено действием силы Лоренца на электроны вещества, колеблющиеся под дейст-вием электрического поля электромагнитной волны.

Фотоэффект- это явление вырывания света электронов из металла(внешний)

Фотоэффе́кт - это испускание электронов веществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости иливентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Законы Столетова

Первый закон
Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта.

Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл.

T.к. сила тока определяется величиной заряда, a световой поток - энергией светового пучка, то можно сказать:

число электронов, выбиваемых за 1 c из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Второй закон

Изменяя условия освещения на этой же установке, A. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, a зависит от его частоты.

Из опыта следовало, что если частоту света увеличить, то при неизменном световом потоке запирающее напряжение увеличивается, a, следовательно, увеличивается и кинетическая энергия фотоэлектронов. Таким образом, кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает c частотой света.

Третий закон

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. e. существует наименьшая частота nmin, при которой еще возможен фотоэффект.

Закон сохранения энергии, записанный Эйнштейном для фотоэффекта, состоит в утверждении, что энергия фотона, приобретенная электроном, позволяет ему покинуть поверхность проводника, совершив работу выхода. Остаток энергии реализуется в виде кинетической энергии теперь уже свободного электрона

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии mv2max/2. По закону сохранения энергии,

(203.1)

Уравнение (203.1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Эффект Комптона

Изменение длины волны света при рассеивании на связанных электронов

ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА.ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Опыты Резерфорда. Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.

Планетарная модель атома. На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

Внутренний фотоэффект был открыт в 1873 году американцем У.Смитом и англичанином Дж.Мейем. То есть ранее, чем внешний фотоэффект.

Для наблюдения внутреннего фотоэффекта в школьных условиях можно воспользоваться фотодиодом (не путать со светодиодом) или старым транзистором, у которого аккуратно спилена металлическая крышечка, чтобы открыть доступ света к полупроводниковому кристаллу. Если его присоединить к выпрямителю и гальванометру, вы сможете наблюдать, как даже при дневном освещении проводимость кристалла резко возрастает. Такая проводимость называется фотопроводимостью.

Законы внутреннего фотоэффекта намного сложнее законов внешнего, и здесь мы не будем их рассматривать. Однако отметим, что они опираются на известные вам из химии понятия валентности, электронных уровней и др., и позволяют объяснить возникновение фотоэффекта в полупроводниках.

Внешний фотоэффект нашёл применение в технике ещё в первой половине XX века. Это, конечно же, голос прежде немого кинематографа. Фотоэлемент позволяет превратить звук, «сфотографированный» на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, изменялся и попадал на фотоэлемент (см. фото). Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике. В неживой природе внешний фотоэффект проявляется миллионы лет в планетарных масштабах. Мощное солнечное излучение, воздействуя на атомы и молекулы земной атмосферы, выбивает из них электроны, то есть ионизирует верхние слои атмосферы.

Внутренний фотоэффект в настоящее время в технике используется гораздо чаще внешнего. Например, он превращает свет в электрический ток в фотоэлементах и огромных солнечных батареях космических кораблей. Фотоэффект «работает» и в специальных светочувствительных приборах, таких как, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Благодаря этому можно считать детали на конвейере или производить автоматическое включение и выключение различных механизмов (маяки, уличное освещение, автоматическое открывание дверей и др.). Также благодаря внутреннему фотоэффекту можно преобразовывать изображение в электрические сигналы и передавать на расстояние (телевидение).

Наиболее крупномасштабное применение фотоэффекта сегодня – это уже построенные солнечные электростанции, а также проекты строительства новых таких станций мощностью до нескольких сотен мегаватт. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20% мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на Земле и в космосе.