Фотоэффект. Виды фотоэффекта

Типы фотоэффекта: внешний фотоэффект - испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), излучения и др. внутренний фотоэффект - увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света (фотопроводимость) вентильный фотоэффект - возбуждение светом электродвижущей силы на границе между металлом и полупроводником или между разнородными полупроводниками

В чем процесс видения мира? Посредством зрения человек получает около 90% информации. Первая стадия процесса видения мира- получение изображения предмета на сетчатке, что достигается при помощи оптической системы глаза: «объектив» нашего глаза состоит из роговицы и хрусталика. Хрусталик выполняет роль светофильтра, не пропуская ультрафиолетовые лучи. Зрачок играет роль диафрагмы. Пигментный эпителий поглощает свет, чтобы уменьшить его рассеивание. Все фотоны, попавшие в глаз в это время воспринимаются им как одновременные. Оптическая часть глаза дает изображение рассматриваемого предмета на фотопленке – сетчатке глаза.

II стадия видения. Это преобразование энергии электромагнитных излучений в другие виды энергии. Рассмотрим строение сетчатки. Она состоит из слоя рецепторов (колбочек и палочек).Фоторецептором у колбочек и палочек служит наружный сегмент. Колбочки – инструмент цветного зрения (синие, зеленые, желтые).Палочки обеспечивают черно – белое зрение

Работа фоторецептора. Фоторецептор палочки работает так: в мембранах дисков находится зрительный пигмент – родопсин, который в свою очередь состоит из белка родопсина и ретиналя. Молекула ретиналя в родопсине может существовать в цис- форме и транс- форме. Молекула ретиналя «сидит» в молекуле родопсина в виде буквы «Г», пока на нее не упадет квант видимого света. Это ее цис – форма.

Работа фоторецептора(2). Когда же на нее упадет квант видимого света, молекула ретиналя распрямляется. Энергия поглощенного фотона расходуется в основном на то, чтобы перевести молекулу ретиналя из одного изомерного состояния в другое. Значительная часть энергии поглощенного фотона переходит во внутреннюю энергию. Изомерное превращение молекул ретиналя запускает цепь событий, приводящих к появлению зрительного сигнала. Итак, в механизме зрения используются квантовые свойства света.

Фотоэффект в живой природе..? Исходя из определения о фотоэффекте трудно представить что такое явление может происходить в природе. Действительно, оно не распространено. Человек не замечает явление фотоэффекта в природе, как такового. Человек во многих случаях добивается выбивания электронов своими путями, действуя технологически. Но у природы есть свои неразгаданные тайны. Кто знает, может быть мы и найдем это явление в природе?

Теория

Фотоэффект - вырывание электронов из вещества под действием света. В металле электрон движется свободно, но при вылете его с поверхности сам металл из-за этого заряжается положительным зарядом и препятствует вылету. Поэтому для того, чтобы покинуть металл, электрон должен обладать дополнительной энергией, зависящей от вещества. Эта энергия называется работой выхода.

Для исследования фотоэффекта можно собрать установку, изображенную на рис. 1. Она состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух. Окно, через которое падает свет, сделано из кварцевого стекла, пропускающего видимые и ультрафиолетовые лучи. Внутри баллона впаяны два электрода: один из которых - катод - освещается через окно. Между электродами источник создает электрическое поле, которое заставляет двигаться фотоэлектроны от катода к аноду.

движущиеся электроны образуют электрический ток (фототок). При изменении напряжения меняется сила тока. График зависимости I от U - вольтамперная характеристика - приведен на рис. 2. При малых напряжениях не все вырванные из катода электроны достигают анода, при увеличении напряжения их число возрастает. При некотором напряжении все вырванные светом электроны достигают анода, тогда устанавливается ток насыщения I н , при дальнейшем увеличении напряжения ток не изменяется.

При увеличении интенсивности падающего излучения наблюдается возрастание тока насыщения, пропорционального числу вырванных электронов. 1-й закон фотоэффекта утверждает, что количество электронов, вырванных светом с поверхности металла, пропорционально поглощенной энергии световой волны.

Для измерения кинетической энергии электронов нужно поменять полярность источника тока. На графике этому случаю соответствует участок при U , на котором фототок падает до нуля. Теперь поле не разгоняет, а тормозит фотоэлектроны. При некотором напряжении, названном задерживающим U 3 , фототок исчезает. При этом все электроны будут остановлены полем, затем поле вернет их в бывший катод, подобно тому, как брошенный вверх камень будет остановлен полем тяготения Земли и возвращен снова на Землю.

Работа сил электрического поля A = qU 3 , затраченная на торможение электрона, равна изменению кинетической энергии электрона, то есть m v 2 /2 = qU 3 , где m - масса электрона, v - его скорость, q - заряд. Т.е., измеряя задерживающее напряжение U 3 , мы определяем максимальную кинетическую энергию. Оказалось, что максимальная кинетическая энергия электронов зависит не от интенсивности света, а только от частоты. Это утверждение называют 2-м законом фотоэффекта.

При некоторой граничной частоте света, которая зависит от конкретного вещества, и при более низких частотах фотоэффект не наблюдается. Эта граничная частота носит название "красной" границы фотоэффекта.

Объяснил законы фотоэффекта А. Эйнштейн в 1905 г. Он воспользовался идеей Планка о квантовой природе света. Энергия одного кванта света E = hν . Если предположить, что один квант света вырывает один электрон, то энергия кванта Е идет на совершение работы выхода электрона А и на сообщение ему кинетической энергии mv 2 /2 . То есть

hν = A + mv 2 /2 .

Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

Объясним с позиций идеи Эйнштейна 1-й закон фотоэффекта. Если один квант энергии вырывает один электрон, то чем больше квантов поглощает вещество (чем больше интенсивность света), тем больше электронов вылетит из вещества.

Объясним второй закон фотоэффекта. Работа выхода А зависит от рода вещества и не зависит от частоты света. Кинетическая энергия электрона, вырванного из вещества, mv 2 /2=h - A зависит от частоты света ν : чем больше частота, тем большую кинетическую энергию получит электрон. Интенсивность света не влияет на кинетическую энергию электрона, потому что уравнение Эйнштейна описывает энергетику одного электрона. Не важно, сколько вылетит электронов, скорость каждого из них зависит от частоты.

Формула Эйнштейна объясняет и тот факт, что свет данной частоты из одного вещества может вырвать электрон, а из другого - не может. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается в том случае, если энергия кванта света больше или, в крайнем случае, равна работе выхода (hν ≥ A ). Предельная частота, при которой еще возможен фотоэффект, ν min = A/h . Это частота, при которой совершается вырывание электронов без сообщения им кинетической энергии, - частота "красной границы" фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна запишем для случая, когда кинетическая энергия электрона равна по величине работе сил электрического поля, то есть при задерживающем напряжении:

hν = A + qU 3 .

Отсюда U 3 = -A/q + (h/q)ν.

Построим график зависимости задерживающего напряжения от частоты (рис. 3). Из формулы видно, что зависимость U 3 от ν является линейной. Тангенс угла наклона графика:

tg α = ΔU 3 /Δν = h/q .

Отсюда постоянная Планка:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

Эта формула служит для экспериментального определения постоянной Планка.

Черноуцан А.И. Несколько замечаний по поводу фотоэффекта //Квант. - 1989. - № 1. - С. 49-51.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В школьном курсе физики вы познакомились с явлением фотоэффекта, т. е. испускания электронов веществом под действием света, и его закономерностями («Физика 10», глава 10). Что является главным в теории фотоэффекта? Конечно же, гипотеза световых квантов - фотонов. Фотоэффект можно представить как результат двух последовательных процессов: 1) поглощение кванта света электроном, 2) вылет электрона за пределы вещества. Если происходят оба процесса, явление правильнее называть внешним фотоэффектом. Если же поглощение фотонов не приводит к вылету электронов из вещества, но изменяет его электропроводность, то говорят о внутреннем фотоэффекте (обычно наблюдается в полупроводниках). Собственно фотоэффектом часто называют сам акт поглощения фотона электроном.

Возникает вопрос: может ли фотоэффект происходить на отдельно взятом свободном электроне? На первый взгляд - почему бы нет? Ведь мы же говорим: фотон поглощается электроном. При чем же здесь вещество? Возьмем электрон, посветим на него фонариком, и он начнет «глотать» фотоны и разгоняться! Оказывается, ничего не выйдет. Свободный электрон не сможет поглотить ни одного фотона. Он, правда, сдвинется с места, но причиной будет не поглощение, а рассеяние фотонов. Это тоже очень интересный процесс - известный вам эффект Комптона, в котором ярко проявляются квантовые свойства света, но... не фотоэффект.

Почему же фотон не может поглотиться свободным электроном? Проведем, как говорят математики, доказательство «от противного». Пусть электрон (покоящийся или движущийся) поглощает налетающий на него фотон, и при этом изменяется его скорость. Оказывается, такой процесс запрещен законами сохранения энергии и импульса. Это становится очевидным, если выбрать такую инерциальную систему отсчета, в которой электрон после фотоэффекта покоится. Смотрите сами. Что мы имеем в конечном состоянии? Покоящийся электрон и ничего больше. А в начальном состоянии? Движущийся электрон да еще и фотон впридачу. Энергия, действительно, не сохраняется.

Значит, фотоэффект «по всем законам» возможен только в присутствии третьего участника. В металлах, полупроводниках эту роль играют ионы кристаллической решетки. Но при подсчете энергии (например, в уравнении Эйнштейна для фотоэффекта) мы их не учитываем потому, что благодаря своей большой массе ионы обычно забирают очень малую часть энергии (играя при этом важную роль в законе сохранения импульса).

А возможен ли фотоэффект на отдельно взятом атоме (или молекуле) - например, в газе? Оказывается, да. Фотон поглощается одним из электронов атома, а лишний импульс уносится атомным ядром. Интересно отметить, что впервые фотоэффект был обнаружен Г. Герцем именно в опытах с газами (1887 г.). Он исследовал электрический пробой воздушного промежутка между электродами и обнаружил, что при облучении этого промежутка светом пробой наступает при меньшем напряжении.

Почему же в школьном курсе физики подробно обсуждается лишь внешний фотоэффект? Ведь при любом фотоэффекте происходит главное квантовое явление - поглощение фотона электроном. Все дело в том, что законы внешнего фотоэффекта достаточно просты и их сравнительно легко изучать экспериментально. При этом количественные характеристики фотоэффекта могут быть найдены как из самих экспериментов по внешнему фотоэффекту, так и независимыми способами. Поговорим об этом несколько подробнее.

Уравнение Эйнштейна

\(h \cdot \nu = A + \frac {m \cdot \upsilon ^2}{2}\)

содержит две непосредственно измеряемые величины: частоту света ν и максимальную кинетическую энергию выбиваемых электронов \(\frac {m \cdot \upsilon ^2}{2}\). Оптическими методами могут быть созданы пучки света с хорошо известными частотами ν. Для получения сведений о вылетающих электронах (количество электронов, выбиваемых за одну секунду, а также максимальная кинетическая энергия) из исследуемого металла изготовляют катод вакуумной лампы. Так как ток через лампу осуществляется как раз выбиваемыми электронами, то из вольтамперной характеристики лампы можно получить всю необходимую информацию. В частности, максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение U з:

\(\frac {m \cdot \upsilon ^2}{2} = e \cdot U_3\)

Если для различных металлов нанести на график экспериментальные зависимости e U з от частоты света ν, то, в соответствии с уравнением Эйнштейна, получатся параллельные прямые (см. рисунок).

По наклону этих прямых можно вычислить постоянную Планка h , а по точкам пересечения графиков с осями - найти работу выхода А и предельную частоту ν min , называемую красной границей фотоэффекта. Как вы знаете, впервые понятие о квантовании энергии (Е = h ν), в также постоянная h были введены М. Планком для объяснения законов теплового излучения. Из теории фотоэффекта получается такое же (с точностью до ошибок эксперимента) значение h , что сильно укрепило позиции квантовой теории.

А можно ли другим способом, кроме фотоэффекта, измерить работу выхода? Ответ напрашивается сам собой - надо как-то по-другому, без облучения светом, заставить электроны покидать вещество. Самое очевидное - нагревая катод, заставить электроны «испаряться» с его поверхности. Именно это явление - термоэлектронная эмиссия - используется в электронных лампах - диодах, триодах и т. п. Процесс испускания электронов действительно очень похож на испарение - наружу могут вылететь только самые быстрые электроны, энергия которых превышает работу выхода.

Для большинства металлов работа выхода имеет порядок нескольких электронвольт. Много это или мало? Оценим среднюю энергию теплового движения электронов по формуле, которая была получена для одноатомного газа:

\(\overline {E} = \frac {3}{2} k \cdot T.\)

При комнатной температуре (T ≈ 300 К) эта величина составляет несколько сотых долей электронвольта, т. е. в сотни раз меньше, чем работа выхода. Это означает, что количество электронов, которые покидают металл за счет теплового движения, при комнатной температуре очень мало (при изучении фотоэффекта это явление можно не учитывать). Чтобы «испарение» электронов стало заметным процессом, надо нагреть катод до нескольких тысяч градусов.

Исследуя зависимость числа испускаемых электронов от температуры, можно вычислить работу выхода. Полученные таким способом значения работы выхода хорошо согласуются с предсказаниями теории внешнего фотоэффекта, что является важным независимым подтверждением правильности ее основных положений.

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны.

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).

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.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1.

Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А , в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I , образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2.

Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U , при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

ФОТОЭФФЕКТ, группа явлений, связанных с освобождением электронов твердого тела от внутриатомной связи под действием электромагнитного излучения. Различают: 1) внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия, испускание электронов с поверхности… … Современная энциклопедия

Явление, связанное с освобождением электронов твердого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:..1) внешний фотоэффект испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), ? излучения и др.;..2)… … Большой Энциклопедический словарь

Испускание эл нов в вом под действием эл. магн. излучения. Ф. был открыт в 1887 нем. физиком Г. Герцем. Первые фундам. исследования Ф. выполнены А. Г. Столетовым (1888), а затем нем. физиком Ф. Ленардом (1899). Первое теоретич. объяснение законов … Физическая энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 2 фото эффект (1) эффект (29) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

фотоэффект - — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN photoeffect … Справочник технического переводчика

ФОТОЭФФЕКТ - (1) вентильный возникновение электродвижущей силы (фотоЭДС) между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом под действием электромагнитного излучения; (2) Ф. внешний (фотоэлектронная эмиссия) испускание электронов с … Большая политехническая энциклопедия

А; м. Физ. Изменение свойств вещества под воздействием световой энергии; фотоэлектрический эффект. * * * фотоэффект явление, связанное с освобождением электронов твёрдого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:… … Энциклопедический словарь

Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (Фотонов). Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым (1888). Он установил, что в возникновении фототока в… … Большая советская энциклопедия

- (см. фото... + аффект) физ. изменение электрических свойств вещества под действием электромагнитных излучений (света, ультрафиолетовых, рентгеновских и других лучей), напр, испускание электронов вовне под действием света (внешний ф.), изменение… … Словарь иностранных слов русского языка

Книги

• , П.С. Тартаковский. Воспроизведено в оригинальной авторской орфографии издания 1940 года (издательство`ГИТТЛ`). В…
• Внутренний фотоэффект в диэлектриках , П.С. Тартаковский. Эта книга будет изготовлена в соответствии с Вашим заказом по технологии Print-on-Demand. Воспроизведено в оригинальной авторской орфографии издания 1940 года (издательство "ГИТТЛ"…