Фотоефект. Види фотоефекту

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 випромінюваньінші 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?

Теорія

Фотоефект - виривання електронів із речовини під впливом світла. У металі електрон рухається вільно, але при вильоті його з поверхні сам метал через це заряджається позитивним зарядомта перешкоджає вильоту. Тому для того, щоб залишити метал, електрон повинен мати додаткову енергію, яка залежить від речовини. Ця енергія називається роботою виходу.

Для вивчення фотоефекту можна зібрати установку, зображену на рис. 1. Вона складається зі скляного балона, з якого викачано повітря. Вікно, через яке падає світло, зроблено з кварцового скла, що пропускає видимі та ультрафіолетові промені. Усередині балона впаяно два електроди: один з яких - катод - висвітлюється через вікно. Між електродами джерело створює електричне поле, яке змушує рухатись фотоелектрони від катода до анода.

електрони, що рухаються, утворюють електричний струм(Фотострум). При зміні напруги змінюється сила струму. Графік залежності Iвід U- вольтамперна характеристика – наведено на рис. 2. При малих напругах в повному обсязі вирвані з катода електрони досягають анода, зі збільшенням напруги їх кількість зростає. При певній напрузі всі вирвані світлом електрони досягають анода, тоді встановлюється струм насичення I н, При подальшому збільшенні напруги струм не змінюється.

При збільшенні інтенсивності падаючого випромінювання спостерігається зростання струму насичення, пропорційного числу вирваних електронів. 1-й закон фотоефекту стверджує, що кількість електронів, вирваних світлом із поверхні металу, пропорційно поглиненої енергії світлової хвилі.

Для вимірювання кінетичної енергії електронів необхідно змінити полярність джерела струму. На графіку цьому випадку відповідає ділянка при U , на якому фотострум падає до нуля. Тепер поле не розганяє, а гальмує фотоелектрони. При певній напрузі, названій затримувачем U 3, фотострум зникає. При цьому всі електрони будуть зупинені полем, потім поле поверне їх до колишнього катоду, подібно до того, як кинутий вгору камінь буде зупинений полем тяжіння Землі і повернуто знову на Землю.

Робота сил електричного поля A = qU 3, Витрачена на гальмування електрона, дорівнює зміні кінетичної енергії електрона, тобто m v 2/2 = qU 3, де m- Маса електрона, v - його швидкість, q- Заряд. Тобто, вимірюючи затримуючу напругу U 3, ми визначаємо максимальну кінетичну енергію. Виявилося, що максимальна кінетична енергія електронів залежить немає від інтенсивності світла, лише від частоти. Це твердження називають 2-м законом фотоефекту.

При певній граничній частоті світла, яка залежить від конкретної речовини, і за більш низьких частот фотоефект не спостерігається. Ця гранична частота зветься "червоною" межі фотоефекту.

Пояснив закони фотоефекту А. Ейнштейна в 1905 р. Він скористався ідеєю Планка про квантову природу світла. Енергія одного кванта світла E = hν. Якщо припустити, що один квант світла вириває один електрон, то енергія кванта Ейде на здійснення роботи виходу електрона Ата на повідомлення йому кінетичної енергії mv 2/2. Тобто

hν = A + mv 2 /2.

Це рівняння називається рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Пояснимо з позицій ідеї Ейнштейна 1-й закон фотоефекту. Якщо один квант енергії вириває один електрон, чим більше квантів поглинає речовина (що більше інтенсивність світла), то більше вписувалося електронів вилетить з речовини.

Пояснимо другий закон фотоефекту. Робота виходу Азалежить від роду речовини і залежить від частоти світла. Кінетична енергія електрона, вирваного з речовини, mv 2 /2=h - Aзалежить від частоти світла ν : чим більша частота, тим більшу кінетичну енергію отримає електрон. Інтенсивність світла не впливає на кінетичну енергію електрона, тому що рівняння Ейнштейна визначає енергетику одного електрона. Не важливо, скільки вилетить електронів, швидкість кожного залежить від частоти.

Формула Ейнштейна пояснює і те що, що світло цієї частоти з однієї речовини може вирвати електрон, та якщо з іншого - неспроможна. Для кожної речовини фотоефект спостерігається в тому випадку, якщо енергія кванта світла більша або, крайньому випадку, дорівнює роботі виходу ( hν ≥ A). Гранична частота, за якої ще можливий фотоефект, min = A/h. Це частота, коли він відбувається виривання електронів без повідомлення їм кінетичної енергії, - частота " червоної межі " фотоефекту.

Рівняння Ейнштейна запишемо для випадку, коли кінетична енергія електрона дорівнює за величиною роботи сил електричного поля, тобто при напрузі, що затримує:

hν = A + qU 3.

Звідси U 3 = -A/q + (h/q)ν.

Побудуємо графік залежності напруги, що затримує, від частоти (рис. 3). З формули видно, що залежність U 3від ν є лінійною. Тангенс кута нахилу графіка:

tg α = ΔU 3 /Δν = h/q.

Звідси постійна Планка:

h = qtg α = q U 3 /Δν.

Ця формула служить для експериментального визначення постійної Планки.

Чорноуцан О.І. Декілька зауважень з приводу фотоефекту // Квант. – 1989. – № 1. – С. 49-51.

За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"

У шкільному курсіфізики ви познайомилися з явищем фотоефекту, т. е. випромінювання електронів речовиною під впливом світла, та її закономірностями («Фізика 10», глава 10). Що головне теоретично фотоефекту? Звичайно ж, гіпотеза світлових квантів – фотонів. Фотоефект можна представити як результат двох послідовних процесів: 1) поглинання кванта світла електроном; 2) виліт електрона за межі речовини. Якщо відбуваються обидва процеси, явище правильніше називати зовнішнім фотоефектом. Якщо поглинання фотонів не призводить до вильоту електронів з речовини, але змінює його електропровідність, то говорять про внутрішній фотоефект (зазвичай спостерігається в напівпровідниках). Власне фотоефект часто називають сам акт поглинання фотона електроном.

Постає питання: чи може фотоефект відбуватися на окремо взятому вільному електроні? На перший погляд – чому б ні? Адже ми кажемо: фотон поглинається електроном. До чого ж тут речовина? Візьмемо електрон, присвітимо на нього ліхтариком, і він почне «ковтати» фотони та розганятися! Виявляється, нічого не вийде. Вільний електрон не зможе поглинути жодного фотона. Він, щоправда, зрушить з місця, але причиною буде не поглинання, а розсіяння фотонів. Це теж дуже цікавий процес- відомий вам ефект Комптону, в якому яскраво проявляються квантові властивості світла, але не фотоефект.

Чому ж фотон не може поглинутися вільним електроном? Проведемо, як кажуть математики, доказ від протилежного. Нехай електрон (покоїться або рухомий) поглинає фотон, що налітає на нього, і при цьому змінюється його швидкість. Виявляється, такий процес заборонено законами збереження енергії та імпульсу. Це стає очевидним, якщо вибрати таку інерційну системувідліку, в якій електрон після фотоефекту спочиває. Дивіться самі. Що ми маємо у кінцевому стані? Електрон, що спочиває, і нічого більше. А у початковому стані? Рухомий електрон та ще й фотон на додачу. Енергія справді не зберігається.

Отже, фотоефект «за всіма законами» можливий лише у присутності третього учасника. У металах, напівпровідниках цю роль відіграють кристалічних ґрат. Але при підрахунку енергії (наприклад, у рівнянні Ейнштейна для фотоефекту) ми їх не враховуємо тому, що завдяки своїй великої масиіони зазвичай забирають дуже малу частину енергії (граючи при цьому важливу рольу законі збереження імпульсу).

А чи можливий фотоефект на окремому атомі (або молекулі) - наприклад, у газі? Виявляється, так. Фотон поглинається одним із електронів атома, а зайвий імпульс виноситься атомним ядром. Цікаво відзначити, що вперше фотоефект був виявлений Г. Герцем саме у дослідах із газами (1887 р.). Він досліджував електричний пробій повітряного проміжку між електродами і виявив, що при опроміненні цього проміжку світлом пробій настає при меншій напрузі.

Чому ж у шкільному курсі фізики докладно обговорюється лише зовнішній фотоефект? Адже за будь-якого фотоефекту відбувається головне квантове явище - поглинання фотона електроном. Справа в тому, що закони зовнішнього фотоефекту досить прості і їх порівняно легко вивчати експериментально. При цьому кількісні характеристикифотоефекту можуть бути знайдені як із самих експериментів із зовнішнього фотоефекту, так і незалежними способами. Поговоримо про це дещо докладніше.

Рівняння Ейнштейна

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

містить дві безпосередньо вимірювані величини: частоту світла ν і максимальну кінетичну енергію електронів, що вибиваються \(\frac (m \cdot \upsilon ^2)(2)\). Оптичними методамиможуть бути створені пучки світла з добре відомими частотами. Для отримання відомостей про електрони, що вилітають (кількість електронів, що вибиваються за одну секунду, а також максимальна кінетична енергія) з досліджуваного металу виготовляють катод вакуумної лампи. Так як струм через лампу здійснюється якраз електронами, що вибиваються, то з вольтамперної характеристики лампи можна отримати всю необхідну інформацію. Зокрема, максимальна кінетична енергія електронів виражається через напругу, що затримує. Uз:

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

Якщо для різних металівнанести на графік експериментальні залежності e Uз від частоти світла ν, то, відповідно до рівняння Ейнштейна, вийдуть паралельні прямі (див. рисунок).

За нахилом цих прямих можна обчислити постійну Планка h, а за точками перетину графіків з осями - знайти роботу виходу Аі граничну частоту min , звану червоною межею фотоефекту. Як ви знаєте, вперше поняття про квантування енергії ( Е = hν), також постійна hбули запроваджені М. Планком для пояснення законів теплового випромінювання. З теорії фотоефекту виходить таке саме (з точністю до помилок експерименту) значення h, що сильно зміцнило позиції квантової теорії.

А чи можна іншим способом, окрім фотоефекту, виміряти роботу виходу? Відповідь напрошується сама собою - треба якось інакше, без опромінення світлом, змусити електрони залишати речовину. Найочевидніше - нагріваючи катод, змусити електрони випаровуватися з його поверхні. Саме це явище – термоелектронна емісія – використовується в електронних лампах – діодах, тріодах тощо. Процес випускання електронів дійсно дуже схожий на випаровування – назовні можуть вилетіти тільки найшвидші електрони, енергія яких перевищує роботу виходу.

Більшість металів робота виходу має порядок кількох электронвольт. Чи багато це чи мало? Оцінимо середню енергію теплового рухуелектронів за формулою, яка була отримана для одноатомного газу:

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

При кімнатній температурі (T≈ 300 К) ця величина становить кілька сотих часток електронвольта, тобто у сотні разів менше, ніж робота виходу. Це означає, що кількість електронів, які залишають метал за рахунок теплового руху, за кімнатної температури дуже мала (при вивченні фотоефекту це явище можна не враховувати). Щоб випаровування електронів стало помітним процесом, треба нагріти катод до декількох тисяч градусів.

Досліджуючи залежність числа електронів, що випускаються від температури, можна обчислити роботу виходу. Отримані у такий спосіб значення роботи виходу добре узгоджуються з прогнозами теорії зовнішнього фотоефекту, що важливим незалежним підтвердженням правильності її основних положень.

Гіпотеза Планка, що блискуче вирішила завдання теплового випромінювання чорного тіла, отримала підтвердження 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 у твердих тілах (металах, напівпровідниках, діелектриках), а також у газах на окремих атомахта молекулах (фотоіонізація).

Внутрішній фотоефект – це викликані електромагнітним випромінюванням переходи 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 і 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. всі більша кількістьфотоелектронів сягає 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 початковою швидкістюυ, а значить і відмінною 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,

ФОТОЕФЕКТ, група явищ, пов'язаних зі звільненням електронів твердого тіла від внутрішньоатомного зв'язку під впливом електромагнітного випромінювання. Розрізняють: 1) зовнішній фотоефект, або фотоелектронна емісія, випромінювання електронів із поверхні… … Сучасна енциклопедія

Явище, пов'язане з визволенням електронів твердого тіла (або рідини) під дією електромагнітного випромінювання. Розрізняють:..1) зовнішній фотоефект випромінювання електронів під впливом світла (фотоелектронна емісія), ? випромінювання та ін;..2)… … Великий Енциклопедичний словник

Випускання ел нов у вом під дією ел. магн. випромінювання. Ф. був відкритий у 1887 ньому. фізиком Г. Герцем. Перші фундам. Дослідження Ф. виконані А. Р. Столетовим (1888), а потім нім. фізиком Ф. Ленардом (1899). Перше теоретичне. пояснення законів … Фізична енциклопедія

Сущ., кіл у синонімів: 2 фото ефект (1) ефект (29) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів

фотоефект- - [В.А.Семенов. Англо-російський словник з релейного захисту] Тематики релейний захист EN photoeffect … Довідник технічного перекладача

ФОТОЕФЕКТ- (1) вентильне виникнення електрорушійної сили (фотоЕРС) між двома різнорідними напівпровідниками або між напівпровідником та металом під дією електромагнітного випромінювання; (2) Ф. зовнішній (фотоелектронна емісія) випромінювання електронів з … Велика політехнічна енциклопедія

А; м. Фіз. Зміна властивостей речовини під впливом світлової енергії; фотоелектричний ефект. * * * фотоефект явище, пов'язане зі звільненням електронів твердого тіла(або рідини) під впливом електромагнітного випромінювання. Розрізняють: … … Енциклопедичний словник

Випускання електронів речовиною під впливом електромагнітного випромінювання (Фотонів). Ф. був відкритий у 1887 р. Герцем. Перші фундаментальні дослідження Ф, виконані А. Г. Столетовим (1888). Він встановив, що у виникненні фотоструму в ... Велика радянська енциклопедія

- (Див. фото ... + афект) фіз. зміна електричних властивостейречовини під впливом електромагнітних випромінювань (світла, ультрафіолетових, рентгенівських та інших променів), напр, випромінювання електронів зовні під впливом світла (зовнішній ф.), зміна… Словник іноземних слівросійської мови

Книги

• , П.С. Тартаковський. Відтворено в оригінальній авторській орфографії видання 1940 року (видавництво ГІТТЛ). У…
• Внутрішній фотоефект у діелектриках, П.С. Тартаковський. Ця книга буде виготовлена ​​відповідно до Вашого замовлення за технологією Print-on-Demand. Відтворено в оригінальній авторській орфографії видання 1940 року (видавництво "ГІТТЛ").