Фотоефект та його види. Фотоелектричний ефект закони фотоефекту пояснення фотоефекту

Висловив гіпотезу: світло випромінюється і поглинається окремими порціями - квантами (або фотонами). Енергія кожного фотона визначається формулою Е= h ν , де h - постійна Планка, що дорівнює 6,63 . 10 -34 Дж. с, ν - Частота світла. Гіпотеза Планка пояснила багато явищ: зокрема, явище фотоефекту, відкритого в 1887 р. німецьким вченим Генріхом Гер-цем і вивченого експериментально російським ученим А. Г. Столетовим.

Фотоефект — це явище випромінювання електронів речовиною під впливом світла.

В результаті досліджень було встановлено три закони фотоефекту:

1. Сила струму насичення прямо пропорційна інтенсивності світлового випромінювання, що падає на поверхню тіла.

2. Максимальна кінетична енергія фото-електронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

3. Якщо частота світла менше деякої певної для даної речовинимінімальної часто-ти, то фотоефект не відбувається.

Залежність фотоструму від напруги показана на малюнку 36.

Теорію фотоефекту створив німецький вчений А. Ейнштейн у 1905 р. В основі теорії Ейнштейна лежить поняття роботи виходу електронів з металу та поняття про квантовому випромінюваннісвітла. За теорією Ейнштейна фотоефект має таке пояснення: поглинаючи квант світла, електрон набуває енергію hv.При вильоті з металу енергія кожного електрона зменшується на певну величину, яку називають роботою виходу(А вих). Робота виходу — це робота, яку потрібно витратити, щоб видалити електрон з металу. Максимальна енергія електронів після вильоту (якщо немає інших втрат) має вигляд: mv 2 /2 = hv - А вих,Це рівняння носить назву рівняння Ейнштейна .

Якщо hν< А вих то фотоефект не відбувається. Значить, червона межа фотоефектудорівнює ν min =А вих /h

Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фотоефекту, називають фотоелементами.Найпростішим приладом є вакуумний фотоелемент. Недоліками такого фото-елемента є: слабкий струм, мала чутливість до довгохвильового випромінювання, складність у виготовленні, неможливість використання в ланцюгах змінного струму. Застосовується у фотометрії для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості, у кіно для відтворення звуку, у фототелеграфах і фототелефонах, в управлінні виробничими процесами.

Існують напівпровідникові фотоелементи, в яких під дією світла відбувається зміна концентрації носіїв струму. у годинах, мікрокалькуляторах, проходять випробування перші сонячні автомобілі, використовуються в сонячних батареях на штучних супутникахЗемлі, міжпланетних та орбітальних автоматичних станціях.

З явищем фотоефекту пов'язані фотохімічні процеси, що протікають під дією світла у фотографічних матеріалах.

Перш ніж вивести справжню формулу для універсальної функції r * (, T), бажано кілька просунутися вперед у розвитку ідей Планка щодо квантової природи світла. Для цієї мети доцільно розглянути спочатку добре відоме явище під назвою фотоефекту.

Суть фотоефекту полягає у здатності атомів до іонізації під впливом світла. Якщо атоми (наприклад, газу) піддати опроміненню світлом, то світло буде поглинатися атомами. Природно припустити, що за певних умов поглинання буде настільки велике, що зовнішні (валентні) електрони будуть відриватися від атомів. Це явище спостерігається насправді.

Практично зручніше фотоефект спостерігати не в газах (хоча тут ми маємо справу з "чистим" явищем, з безпосереднім відривом електронів від атомів), а в металах. У металі валентні електрони колективізовані і утворять, як ми знаємо, своєрідний "електронний газ", що заповнює кристалічну решітку, складену з іонів. Але "електронний газ" у металі "заперт": поблизу поверхні металу на електрони впливають сили, що не дозволяють їм виходити назовні. Кажуть, що поблизу поверхні металу має місце потенційний бар'єр, що утримує електрони всередині металу. Для виривання електрона "газу" з металу йому (електрону) необхідно повідомити додаткову, досить велику енергію, необхідну для подолання потенційного бар'єра.

Чи може пояснити фотоефект хвилева теорія світла? На перший погляд здається, що так. Коли світлова хвиля падає на поверхню металу, то електрони поблизу поверхні потрапляють у перемінне електромагнітне поле хвилі і під дією електромагнітних сил починають розганятися, нарощуючи енергію. Поступово їх енергія виявляється настільки великою, що її достатньо для подолання потенційного бар'єра, і електрони вириваються назовні з металу. Однак наведене пояснення - якісне. Фізика такими поясненнями не задовольняється. Необхідно навести пояснення у кількісне згоду з досвідом, тобто. шляхом розрахунку підтвердити кількісні закономірності фізичного явища. Кількісне ж пояснення фотоефекту, засноване на хвильовій теорії, не задовільне.

Почнемо з найпростішого. Згідно з викладеною точкою зору на "розкачування" електрона в електромагнітній хвилі до потрібного значення енергії потрібно певний час. Цей час можна оцінити. Що ж дає розрахунок? Він показує, що на "розкачку" електронів потрібно час порядку хвилини! Тоді як з досвіду відомо, що фотоефект починається, як тільки світло впаде на поверхню металу.

Далі. Вирвані з металу електрони несуть якусь залишкову енергію. Цю енергію неважко виміряти (використовуючи, наприклад, що затримує електричне поле). Згідно з наведеним поясненням електрони повинні забирати тим більше енергії від хвилі, чим більше її амплітуда (і отже, інтенсивність!). Електрони - як поплавці на поверхні води. Чим вище хвиля, тим більша енергія поплавців. Досвід же показує, що енергія вирваних з металу електронів абсолютно не залежить від інтенсивності світла. Наше пояснення знову дає "збій". Енергія вирваних електронів, виявляється, істотно залежить від частоти падаючого світла! Ця залежність строго лінійна. З точки зору хвильової теорії світла цей факт теж незрозумілий.

Таким чином, класична електродинаміка, звичайна хвильова теорія світла не в змозі дати задовільне пояснення фотоефекту. Але закони чорного випромінювання підказують, що від хвильової теорії світла можна і потрібно відступити. А. Ейнштейн в 1905 році робив спробу розвинути і поглибити нові ідеї Планка про природу світла. Гіпотеза Планка по суті стосувалася механізму випромінювання світла атомами, але не зачіпала природи самого світла: згідно з гіпотезою Планка виходило так, що світло випромінюється порціями, але сам по собі - хвилі. Ейнштейн йде далі: він висуває припущення, що світло саме по собі має корпусну природу, що має сенс дивитися на світ не як на потік хвиль, а як на потік частинок. Світло не тільки випромінюється, але і поширюється і поглинається у вигляді квантів! Ці кванти, або частки, світлової енергії Ейнштейн назвав фотонами. Енергія одного фотона (всі фотони рухаються з однією швидкістю з) дорівнює h . Ейнштейн чудово розумів, що, вводячи фотони, він, у певному сенсі, відступав від логіки, т.к. він зовсім не відкидав хвильову теорію світла. Це видно вже із самої гіпотези про фотони. Енергія фотона пропорційна частоті світла! Але ж частота - суто хвильове поняття: це число коливань в секунду століття Е у хвилі! Все це означає, що фотонна теорія Ейнштейна має робочий характер (як, втім, і хвильова теорія), що сама по собі вона не розкриває справжню природу світла. Точніше, у зв'язку з фотонною точкою зору на світ, з'ясовується, що пізнання істинної природи світла вимагає якихось глибших ідей, які, можливо, і не можуть бути висловлені у вигляді наочної картини, що відображає природу світла. Можна сказати так: світло - ні хвилі, ні корпускули в справжньому сенсі цих слів, а щось таке, що в досвіді проявляється іноді як хвилі (інтерференція, дифракція, поляризація), а іноді як потік корпускул, фотонів (чорне випромінювання, фотоефект і ін. .). Світло на наочному рівні мислення виявляє суперечливу природу. І тією і іншою картиною - хвильової і корпусної - доводиться користуватися дивлячись за обставинами. Для опису одних явищ найбільше підходить хвильова точка зору на світ, для опису інших - фотонна. Зрозуміло, такий підхід до оптики не задовільний. Потрібно йти далі і побудувати єдину необоротну теорію світла. До теперішнього часу така необоротна теорія побудована (квантова теорія поля або квантова електродинаміка). Вона знаходиться за межами нашого курсу, і ми її (за причиною складності) не будемо розглядати, а задовольнимо викладеною наочною, але суперечливою точкою зору.

Отже, слідом за Ейнштейном "станемо" на фотонну точку зору (закриваючи очі на те, що світло виявляє в інших випадках явно хвильову природу) і спробуємо пояснити фотоефект.

Фотони, падаючи на поверхню металу, проникають на дуже коротку відстань в метал і поглинаються націло окремими його електронами провідності. Вони відразу ж збільшують свою енергію до значення, достатнього, щоб подолати потенційний бар'єр поблизу поверхні металу, і вилітають назовні.

Закон збереження енергії дозволяє написати просте співвідношення, що пов'язує швидкість фотоелектронів з частотою поглинається світла.

Енергія фотона після поглинання його, з одного боку, витрачається на подолання потенційного бар'єра (ця частина енергії називається роботою виходу електрона з металу), а з іншого боку, частково зберігається у електрона поза металом у вигляді кінет. Таким чином, співвідношення для енергії таке:

де А - робота виходу електрона.

Це співвідношення підтверджує той факт, що енергія фотоелектронів, дійсно, ніяк не залежить від інтенсивності світла, а лінійно залежить від частоти світла.

Побудуємо вольт-амперну характеристику фотоелемента. Останній (мається на увазі вакуумний фотоелемент) являє собою невеликий балон, в якому створений вакуум і в центрі якого знаходиться позитивний електрод (анод). На частину внутрішньої поверхні балона нанесений тонкий шар металу, що представляє негативний електрод (катод).

Припустимо, що фотоелемент включений у ланцюг, зображений на рис. 2.3. Пересуваючи двигун потенціометра і знімаючи показання приладів, можна знайти вольт-амперну залежність фотоелемента. При U = 0 через елемент проходить невеликий струм (). Під дією світла вириваються електрони, катод заряджається позитивно. Вирвані електрони поблизу катода створюють негативно заряджену хмару, з якої більша частина електронів потрапляє назад на катод (катод при U = 0 притягує електрони), а частина електронів з хмари потрапляє на анод. Вони і створюють невеликий струм. Якщо збільшувати напруження (збільшувати зовнішнє поле в балоні елемента), то в міру його зростання все більша кількістьелектронів за секунду потрапляє на анод. Хмара з електронів поблизу катода рідшає, а струм через фотоелемент росте. При достатньо сильному поліхмара з електронів поблизу катода повністю зникне. Всі електрони, що вириваються з металу катода, потраплятимуть на анод - настане насичення: подальше посилення поля в балоні фотоелемента не приведе до збільшення струму. Струм насичення визначається тією кількістю електронів, які вириваються в секунду з металу.

Він буде тим більшим, чим більше число фотонів (n) на секунду падає на катод. Очевидно, залежність повинна бути прямо пропорційна. Досвід підтверджує таку залежність. З цієї причини вакуумні фотоелементи можуть служити точними фотометрами, що дозволяють вимірювати світлові потоки.

З урахуванням формули () співвідношення () можна представити у такому вигляді:

Графік залежності eUз = f() будують за експериментальними точками. Повинна вийти пряма. Тангенс кута нахилу цією прямою до осі x () дорівнює h. Виміряна таким чином постійна Планка збігається зі значенням, знайденим із вимірювань з чорного випромінювання, що є зайвим підтвердженням правильності теорії фотоефекту.

При досить низькій частоті світла фотоефект не спостерігається: енергії фотона не вистачає на подолання потенційного бар'єра. Та критична частота, при якій припиняється фотоефект, називається червоною межею фотоефекту. Червоний кордон фотоефекту визначається роботою виходу:

У різних металів червона межа фотоефекту різна.

Вступ

1. Історія відкриття фотоефекту

2. Закони Столетова

3. Рівняння Ейнштейна

4. Внутрішній фотоефект

5. Застосування явища фотоефекту

Список літератури

Вступ

Численні оптичні явища несуперечливо пояснювали, виходячи з уявлень про хвильової природисвітла. Однак у наприкінці XIX- На початку XX ст. були відкриті та вивчені такі явища, як фотоефект, рентгенівське випромінювання, ефект Комптону, випромінювання атомів та молекул, теплове випромінювання та інші, пояснення яких з хвильової точки зору виявилося неможливим. Пояснення нових експериментальних фактів було отримано з урахуванням корпускулярних поглядів на природу світла. Виникла парадоксальна ситуація, пов'язана із застосуванням абсолютно протилежних фізичних моделейхвилі та частинки для пояснення оптичних явищ. В одних явищах світло виявляло хвильові властивості, В інших - корпускулярні.

Серед різноманітних явищ, у яких проявляється вплив світла на речовину, важливе місцезаймає фотоелектричний ефект, тобто випромінювання електронів речовиною під впливом світла. Аналіз цього явища призвів до уявлення про світлові кванти та зіграв надзвичайно важливу рольу розвитку сучасних теоретичних уявлень. Водночас фотоелектричний ефект використовується у фотоелементах, які отримали виключно широке застосуванняу найрізноманітніших галузях науки і техніки та обіцяють ще багатші перспективи.

1. Історія відкриття фотоефекту

Відкриття фотоефекту слід зарахувати до 1887 р., коли Герц виявив, що освітлення ультрафіолетовим світломелектродів іскрового проміжку, що знаходиться під напругою, полегшує проскакування іскри між ними.

Явище, виявлене Герцом, можна спостерігати наступного легко здійсненному досвіді (рис. 1).

Величина іскрового проміжку F підбирається таким чином, що у схемі, що складається з трансформатора Т і конденсатора С, іскра насилу проскакує (один – два рази на хвилину). Якщо висвітлити електроди F, виготовлені з чистого цинку, світлом ртутної лампи Hg, то розряд конденсатора значно полегшується: іскра починає проскакувати. 1. Схема досвіду Герца.

Фотоефект був пояснений в 1905 Альбертом Ейнштейном (за що в 1921 він отримав Нобелівську премію) на основі гіпотези Макса Планка про квантову природу світла. У роботі Ейнштейна була важлива нова гіпотеза– якщо Планк припустив, що світло випромінюється лише квантованими порціями, то Ейнштейн вже вважав, що світло існує тільки у вигляді квантових порцій. З уявлення про світло як про частинки (фотони) негайно випливає формула Ейнштейна для фотоефекту:

З цієї формули випливає існування червоного кордону фотоефекту. Таким чином, дослідження фотоефекту були одними з перших квантово-механічних досліджень.

2. Закони Столетова

Вперше (1888-1890), докладно аналізуючи явище фотоефекту, російський фізик А.Г. Столетов отримав принципово важливі результати. На відміну від попередніх дослідників, він брав малу різницю потенціалів між електродами. Схема досвіду Столетова представлено рис. 2.

Два електроди (один у вигляді сітки, інший – плоский), що знаходяться у вакуумі, приєднані до батареї. Включений у ланцюг амперметр служить для вимірювання сили струму, що виникає. Опромінюючи катод світлом різних довжин хвиль, Столетов дійшов висновку, що найбільш ефективну дію мають ультрафіолетові промені. Крім того, було встановлено, що сила струму, що виникає під дією світла, прямо пропорційна його інтенсивності.

У 1898 р. Ленард і Томсон методом відхилення зарядів в електричному та магнітному поляхвизначили питомий заряд заряджених частинок Рис. 2. Схема досвіду Столетова.

світлом з катода, і отримали вираз

Шляхом узагальнення отриманих результатів було встановлено такі закономірностіфотоефекту:

1. При постійному спектральному складіСвітла сила фотоструму насичення прямо пропорційна падаючого на катод світловому потоку.

2. Початкова кінетична енергія вирваних світлом електронів лінійно зростає зі зростанням частоти світла і залежить від його інтенсивності.

3. Фотоефект не виникає, якщо частота світла менше деякої характерної для кожного металу величини

Першу закономірність фотоефекту, а також виникнення самого фотоефекту легко пояснити, виходячи із законів класичної фізики. Справді, світлове поле, впливаючи на електрони всередині металу, збуджує їх коливання. Амплітуда вимушених коливаньможе досягти такого значення, у якому електрони залишають метал; тоді і спостерігається фотоефект.

Зважаючи на те, що згідно класичної теоріїінтенсивність світла прямо пропорційна квадрату електричного вектора, кількість вирваних електронів зростає зі збільшенням інтенсивності світла.

Друга та третя закономірності фотоефекту законами класичної фізики не пояснюються.

Вивчаючи залежність фотоструму (рис. 3), що виникає при опроміненні металу потоком монохроматичного світла, від різниці потенціалів між електродами (така залежність зазвичай називається вольт – амперною характеристикою фотоструму), встановили, що: 1) фотострум виникає не тільки при

потенціалу залежить від частоти падаючого світла; фотоструму.

8) швидкість вирваних під впливом світла електронів залежить від інтенсивності світла, а залежить від його частоти.

3. Рівняння Ейнштейна

Явище фотоефекту та всі його закономірності добре пояснюються за допомогою квантової теоріїсвітла, що підтверджує квантову природу світла.

Як було зазначено, Ейнштейн (1905 р.), розвиваючи квантову теорію Планка, висунув ідею, за якою як випромінювання і поглинання, а й поширення світла відбувається порціями (квантами), енергія і імпульс яких.

Типи фотоефекту: зовнішній фотоефект - випромінювання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), випромінювання та ін. внутрішній фотоефект - збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність) електрорушійної силина кордоні між металом та напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками

У чому процес бачення світу? Через зору людина отримує близько 90% інформації. Перша стадія процесу бачення світу-отриманнязображення предмета на сітківці, що досягається за допомогою оптичної системиочі: «об'єктив» нашого ока складається з рогівки та кришталика. Кришталик виконує роль світлофільтру, не пропускаючи ультрафіолетові промені. Зіниця грає роль діафрагми. Пігментний епітелій поглинає світло, щоб зменшити його розсіювання. Всі фотони, що потрапили в око, в цей час сприймаються ним як одночасні. Оптична частина ока дає зображення предмета, що розглядається, на фотоплівці – сітківці ока.

ІІ стадія бачення. Це перетворення енергії електромагнітних випромінювань на інші види енергії. Розглянемо будову сітківки. Вона складається з шару рецепторів (колб і паличок). Фоторецептором у колб і паличок служить зовнішній сегмент. Колбочки – інструмент кольорового зору (сині, зелені, жовті). Палички забезпечують чорно – білий зір

Робота фоторецепторів. Фоторецептор палички працює так: у мембранах дисків знаходиться зоровий пігмент – родопсин, який у свою чергу складається з білка родопсину та ретиналю. Молекула ретиналю в родопсині може існувати в цисформі та трансформі. Молекула ретиналю «сидить» у молекулі родопсину у вигляді літери «Г», доки на неї не впаде квант видимого світла. Це її ціс – форма.

Робота фоторецептора(2). Коли ж у неї впаде квант видимого світла, молекула ретиналя розпрямляється. Енергія поглиненого фотона витрачається в основному на те, щоб перевести молекулу ретиналю з одного ізомерного стану до іншого. Значна частинаенергії поглиненого фотона переходить у внутрішню енергію. Ізомерне перетворення молекул ретиналю запускає ланцюг подій, що призводять до появи зорового сигналу. Отже, у механізмі зору використовуються квантові властивості світла.

Фотоефект у живій природі..? Виходячи з визначення про фотоефект важко уявити, що таке явище може відбуватися в природі. Справді, вона поширена. Людина не помічає явище фотоефекту у природі, як такого. Людина у часто домагається вибивання електронів своїми шляхами, діючи технологічно. Але у природи є свої нерозгадані таємниці. Хто знає, можливо ми і знайдемо це явище в природі?

Гіпотеза Планка, що блискуче вирішила завдання теплового випромінюваннячорного тіла, отримала підтвердження та подальший розвитокпри поясненні фотоефекту - явища, відкриття та дослідження якого відіграло важливу роль у становленні квантової теорії. У 1887 році Г. Герц виявив, що при висвітленні негативного електрода ультрафіолетовими променямирозряд між електродами відбувається за меншої напрузі. Це, як показали досліди У. Гальвакса (1888 р.) і А.Г. Столетова (1888–1890 рр.), зумовлено вибиванням під впливом світла негативних зарядівз електроду. Електрон ще не було відкрито. Лише 1898 року Дж.Дж. Томпсон і Ф. Леонард, вимірявши питомий заряд частинок, що випускаються тілом, встановили, що це електрони.

Розрізняють фотоефект зовнішній, внутрішній, вентильний та багатофотонний фотоефект.

Зовнішнім фотоефектом називається випромінювання електронів речовиною під впливом електромагнітного випромінювання. Зовнішній фотоефектспостерігається в твердих тілах(металах, напівпровідниках, діелектриках), а також у газах на окремих атомахта молекулах (фотоіонізація).

Внутрішній фотоефект – це викликані електромагнітним випромінюваннямпереходи електронів усередині напівпровідника чи діелектрика із зв'язаних станів у вільні без вильоту назовні. В результаті концентрація носіїв струму всередині тіла збільшується, що призводить до виникнення фотопровідності (підвищення електропровідності напівпровідника або діелектрика при його освітленні) або виникнення електрорушійної сили (ЕРС).

Вентильний фотоефект є різновидом внутрішнього фотоефекту, – це виникнення ЕРС (фото ЕРС) при освітленні контакту двох різних напівпровідників або напівпровідника та металу (за відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект відкриває шляхи для прямого перетворення сонячної енергіїв електричну.

Багатофотонний фотоефект можливе, якщо інтенсивність світла дуже велика (наприклад, при використанні лазерних пучків). При цьому електрон, що випускається металом, може одночасно отримати енергію не від одного, а кількох фотонів.

Перші фундаментальні дослідженняфотоефекту виконані російським ученим А.Г. Столітовим. Принципова схемадля дослідження фотоефекту наведено на рис. 2.1.

Два електроди (катод Доз досліджуваного матеріалу та анод А, в якості якого Столетов застосовував металеву сітку) у вакуумній трубці підключені до батареї так, що за допомогою потенціометра Rможна змінювати як значення, а й знак напруги, що подається на них. Струм, що виникає при освітленні катода монохроматичним світлом(через кварцове скло), вимірюється включеним у ланцюг міліамперметром.

У 1899 р. Дж. Дж. Томпсон та Ф. Ленард довели, що при фотоефекті світло вибиває з речовини електрони.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) фотоефекту – залежність фотоструму I, що утворюється потоком електронів, від напруги, – наведено на рис. 2.2.

Така залежність відповідає двом різним енергетичним освітленням катода (частота світла обох випадках однакова). У міру збільшення Uфотострум поступово зростає, тобто. все більше фотоелектронів досягає анода. Пологий характер кривих показує, що електрони вилітають із катода з різними швидкостями.

Максимальне значення фотоструму насиченнявизначається таким значенням напруги U, При якому всі електрони, що випускаються катодом, досягають анода:

де n- Число електронів, що випускаються катодом в 1 с.

З ВАХ випливає, при U= 0 фотострумів не зникає. Отже, електрони, вибиті з катода, мають деяку початкову швидкість υ, а значить і відмінну від нуля кінетичною енергієютому вони можуть досягти катода без зовнішнього поля. Для того, щоб фотострум став рівним нулю, необхідно докласти затримуюча напруга . При жоден з електронів, що навіть володіє при вильоті з катода максимальною швидкістю, не може подолати затримуючого поля і досягти анода. Отже,