typer af fotoelektrisk effekt. Stoletovs love for den eksterne fotoelektriske effekt. compton effekt

1. Historie om opdagelsen af den fotoelektriske effekt

2. Stoletovs love

3. Einsteins ligning

4. Intern fotoelektrisk effekt

5. Anvendelse af det fotoelektriske effektfænomen

Introduktion

Talrige optiske fænomener blev konsekvent forklaret baseret på ideer om lysets bølgenatur. Dog i slutningen af det 19. – begyndelsen af det 20. århundrede. Sådanne fænomener som den fotoelektriske effekt, røntgenstråling, Compton-effekten, stråling af atomer og molekyler, termisk stråling og andre blev opdaget og undersøgt, hvis forklaring fra et bølgesynspunkt viste sig at være umulig. En forklaring af de nye eksperimentelle kendsgerninger blev opnået på basis af korpuskulære ideer om lysets natur. Der er opstået en paradoksal situation, der involverer brugen af det modsatte fysiske modeller bølger og partikler at forklare optiske fænomener. I nogle fænomener udviste lys bølgeegenskaber, i andre - korpuskulære egenskaber.

Blandt de forskellige fænomener, hvor lysets indvirkning på materien kommer til udtryk, indtages en vigtig plads af fotoelektrisk effekt, det vil sige udsendelse af elektroner fra et stof under påvirkning af lys. Analysen af dette fænomen førte til ideen om lyskvanter og spillede en ekstremt vigtig rolle i udviklingen af moderne teoretiske koncepter. Samtidig bruges den fotoelektriske effekt i fotoceller, der udelukkende har modtaget bred anvendelse inden for de mest forskelligartede områder inden for videnskab og teknologi og lover endnu rigere udsigter.

Historien om opdagelsen af den fotoelektriske effekt

Opdagelsen af den fotoelektriske effekt skulle dateres tilbage til 1887, hvor Hertz opdagede, at belysning ultraviolet lys strømførende gnistgab-elektroder gør det lettere for en gnist at springe mellem dem.

Fænomenet opdaget af Hertz kan observeres i følgende let gennemførlige eksperiment (fig. 1).

Størrelsen af gnistgabet F er valgt på en sådan måde, at i et kredsløb bestående af en transformer T og en kondensator C, slipper en gnist igennem med besvær (en eller to gange i minuttet). Hvis elektroderne F, lavet af ren zink, er belyst med lyset fra en kviksølvlampe Hg, så lettes udledningen af kondensatoren meget: en gnist begynder at springe Fig. 1. Skema af Hertz's eksperiment.

Den fotoelektriske effekt blev forklaret i 1905 af Albert Einstein (som han modtog en Nobel pris) baseret på Max Plancks hypotese om lysets kvantenatur. Einsteins arbejde indeholdt en vigtig ny hypotese – hvis Planck foreslog, at lys kun udsendes i kvantiserede portioner, så troede Einstein allerede, at lys kun eksisterer i form af kvanteportioner. Fra ideen om lys som partikler (fotoner) følger Einsteins formel for den fotoelektriske effekt umiddelbart:

Hvor - kinetisk energi af en udsendt elektron, - arbejdsfunktionen for et givet stof, - frekvensen af det indfaldende lys, - Plancks konstant, som viste sig at være nøjagtig den samme som i Plancks formel for sort kropsstråling.

Denne formel antyder eksistensen af den røde grænse for den fotoelektriske effekt. Forskning i den fotoelektriske effekt var således en af de allerførste kvantemekaniske undersøgelser.

Stoletovs love

For første gang (1888-1890) analyserede han i detaljer fænomenet den fotoelektriske effekt, og den russiske fysiker A.G. Stoletov opnåede fundamentalt vigtige resultater. I modsætning til tidligere forskere tog han en lille potentialforskel mellem elektroderne. Skemaet for Stoletovs eksperiment er vist i fig. 2.

To elektroder (en i form af et gitter, den anden - flad), placeret i et vakuum, er fastgjort til batteriet. Et amperemeter forbundet til kredsløbet bruges til at måle den resulterende strøm. Ved at bestråle katoden med lys af forskellige bølgelængder kom Stoletov til den konklusion, at ultraviolette stråler havde den mest effektive effekt. Derudover blev det fundet, at styrken af den strøm, der genereres af lys, er direkte proportional med dens intensitet.

I 1898 brugte Lenard og Thomson metoden til at aflede ladninger i elektriske og magnetiske felter bestemte den specifikke ladning af ladede partikler udsendt fra fig. 2. Skema af Stoletovs eksperiment.

lys fra katoden, og modtog udtrykket

SGSE enheder s/g, der falder sammen med den kendte specifikke ladning af elektronen. Det fulgte, at under påvirkning af lys blev elektroner udstødt fra katodestoffet.

Ved at opsummere de opnåede resultater blev følgende fastslået mønstre fotoeffekt:

1. Med konstant spektral sammensætning lys, er styrken af mætningsfotostrømmen direkte proportional med lysstrømmen, der falder ind på katoden.

2. Den indledende kinetiske energi af elektroner, der udstødes af lys, stiger lineært med stigende lysfrekvens og afhænger ikke af dets intensitet.

3. Den fotoelektriske effekt opstår ikke, hvis lysets frekvens er mindre end en bestemt værdi, der er karakteristisk for hvert metal, kaldet den røde grænse.

Den første regelmæssighed af den fotoelektriske effekt, såvel som forekomsten af selve den fotoelektriske effekt, kan let forklares ud fra den klassiske fysiks love. Faktisk exciterer lysfeltet, der virker på elektronerne inde i metallet, deres vibrationer. Amplitude tvangssvingninger kan nå en værdi, ved hvilken elektroner forlader metallet; så observeres den fotoelektriske effekt.

På grund af det faktum, at lysintensiteten ifølge klassisk teori er direkte proportional med kvadratet af den elektriske vektor, stiger antallet af udstødte elektroner med stigende lysintensitet.

Den anden og tredje lov for den fotoelektriske effekt er ikke forklaret af den klassiske fysiks love.

Ved at studere afhængigheden af fotostrømmen (fig. 3), som opstår, når et metal bestråles med en strøm af monokromatisk lys, af potentialforskellen mellem elektroderne (denne afhængighed kaldes sædvanligvis fotostrømmens volt-ampere karakteristika). det blev fastslået, at: 1) fotostrømmen forekommer ikke kun ved, men også ved; 2) fotostrømmen er forskellig fra nul til strengt defineret for et givet metal negativ værdi potentialforskel, det såkaldte retarderende potentiale; 3) størrelsen af det blokerende (forsinkende) potentiale afhænger ikke af intensiteten af det indfaldende lys; 4) fotostrømmen stiger med faldende absolutte værdi af retarderingspotentialet; 5) størrelsen af fotostrømmen stiger med stigende og fra en vis værdi bliver fotostrømmen (den såkaldte mætningsstrøm) konstant; 6) størrelsen af mætningsstrømmen stiger med stigende intensitet af det indfaldende lys; 7) forsinkelsesværdi Fig. 3. Karakteristika

potentialet afhænger af frekvensen af det indfaldende lys; fotostrøm

8) hastigheden af elektroner, der udstødes under påvirkning af lys, afhænger ikke af lysets intensitet, men afhænger kun af dets frekvens.

Einsteins ligning

Fænomenet med den fotoelektriske effekt og alle dens love er godt forklaret ved hjælp af lysets kvanteteori, som bekræfter lysets kvantenatur.

Som allerede nævnt fremsatte Einstein (1905), der udviklede Plancks kvanteteori, ideen om, at ikke kun stråling og absorption, men også udbredelsen af lys sker i portioner (kvanter), hvis energi og momentum:

hvor er enhedsvektoren rettet langs bølgevektoren. Ved at anvende loven om bevarelse af energi til fænomenet den fotoelektriske effekt i metaller, foreslog Einstein følgende formel:

, (1)

hvor er en elektrons arbejdsfunktion fra metallet, og er fotoelektronens hastighed. Ifølge Einstein absorberes hvert kvante kun af én elektron, og en del af energien i den indfaldende foton bruges på at udføre metalelektronens arbejdsfunktion, mens den resterende del bibringer kinetisk energi til elektronen.

Som det følger af (1), kan den fotoelektriske effekt i metaller kun forekomme ved , ellers vil fotonenergien være utilstrækkelig til at rive en elektron ud af metallet. Den laveste frekvens af lys, under hvilken den fotoelektriske effekt opstår, bestemmes naturligvis ud fra tilstanden

Frekvensen af lys bestemt af tilstand (2) kaldes den "røde grænse" for den fotoelektriske effekt. Ordet "rød" har intet at gøre med farven af lys, ved hvilken den fotoelektriske effekt opstår. Afhængig af metaltypen kan den "røde kant" af den fotoelektriske effekt svare til rødt, gult, violet, ultraviolet lys osv.

Ved hjælp af Einsteins formel kan andre regelmæssigheder af den fotoelektriske effekt forklares.

Lad os antage, at der er et bremsepotentiale mellem anoden og katoden. Hvis elektronernes kinetiske energi er tilstrækkelig, danner de, efter at have overvundet bremsefeltet, en fotostrøm. De elektroner, for hvilke betingelsen er opfyldt, deltager i fotostrømmen . Størrelsen af det retarderende potentiale bestemmes ud fra tilstanden

, (3)

Hvor - maksimal hastighed udstødte elektroner. Ris. 4.

Ved at erstatte (3) med (1), får vi

Størrelsen af det retarderende potentiale afhænger således ikke af intensiteten, men afhænger kun af frekvensen af det indfaldende lys.

Arbejdsfunktionen af elektroner fra et metal og Plancks konstant kan bestemmes ved at plotte en graf som funktion af frekvensen af indfaldende lys (fig. 4). Som du kan se, giver segmentet afskåret fra den potentielle akse .

På grund af det faktum, at lysintensiteten er direkte proportional med antallet af fotoner, fører en stigning i intensiteten af det indfaldende lys til en stigning i antallet af udstødte elektroner, dvs. til en stigning i fotostrømmen.

Einsteins formel for den fotoelektriske effekt i ikke-metaller har formen

Tilstedeværelsen af arbejdet med at fjerne en bundet elektron fra et atom inde i ikke-metaller forklares ved, at i modsætning til metaller, hvor der er frie elektroner, er elektroner i ikke-metaller i en tilstand bundet til atomer. Det er klart, når lys falder på ikke-metaller, bruges en del af lysenergien på den fotoelektriske effekt i atomet - på adskillelse af en elektron fra atomet, og den resterende del bruges på elektronens arbejdsfunktion og formidling kinetisk energi til elektronen.

Ledningselektroner forlader ikke spontant metallet i nævneværdige mængder. Dette forklares af det faktum, at metal repræsenterer et potentielt hul for dem. Kun de elektroner, hvis energi er tilstrækkelig til at overvinde den potentielle barriere på overfladen, er i stand til at forlade metallet. De kræfter, der forårsager denne barriere, har følgende oprindelse. Den tilfældige fjernelse af en elektron fra det ydre lag af positive ioner af gitteret resulterer i fremkomsten af en overskydende positiv ladning på det sted, hvor elektronen forlod. Coulomb-interaktionen med denne ladning tvinger elektronen, hvis hastighed ikke er særlig høj, til at vende tilbage. Således forlader individuelle elektroner konstant overfladen af metallet, bevæger sig væk fra det flere interatomare afstande og vender derefter tilbage. Som et resultat er metallet omgivet af en tynd sky af elektroner. Denne sky danner sammen med det yderste lag af ioner et elektrisk dobbeltlag (fig. 5; cirkler er ioner, sorte prikker er elektroner). De kræfter, der virker på elektronen i et sådant lag, bliver rettet ind i metallet. Arbejdet mod disse kræfter, når en elektron overføres fra metallet udad, går til at øge elektronens potentielle energi (fig. 5).

Dermed, potentiel energi Der er færre valenselektroner inde i metallet end uden for metallet med en mængde svarende til dybden af potentialbrønden (fig. 6). Energiændringen sker over en længde af størrelsesordenen flere interatomare afstande, så brøndens vægge kan betragtes som lodrette.

Elektron potentiel energi Fig. 6.

og potentialet for det punkt, hvor elektronen er placeret har modsatte tegn. Det følger heraf, at potentialet inde i metallet er større end potentialet i umiddelbar nærhed af dets overflade med en mængde.

At give metallet en overskydende positiv ladning øger potentialet både på overfladen og inde i metallet. Elektronens potentielle energi falder tilsvarende (fig. 7, a).

Værdierne af potentiel og potentiel energi ved uendelig tages som referencepunkt. Budskabet om negativ ladning sænker potentialet i og uden for metallet. Følgelig stiger elektronens potentielle energi (fig. 7, b).

Den samlede energi af en elektron i et metal består af potentielle og kinetiske energier. Ved det absolutte nul varierer værdierne af den kinetiske energi af ledningselektroner fra nul til det energiniveau, der falder sammen med Fermi-niveauet. I fig. 8 er energiniveauerne for ledningsbåndet indskrevet i potentialebrønden (den stiplede linje viser niveauerne uoptaget ved 0K). For at blive fjernet fra metallet skal forskellige elektroner have forskellige energier. En elektron placeret på det laveste niveau af ledningsbåndet skal således tilføres energi; for en elektron placeret på Fermi-niveau er der tilstrækkelig energi .

Den minimale energi, der skal tildeles en elektron for at fjerne den fra et fast eller flydende legeme ind i et vakuum kaldes arbejdsfunktion. Arbejdsfunktionen af en elektron fra et metal bestemmes af udtrykket

Vi opnåede dette udtryk under den antagelse, at metallets temperatur er 0K. Ved andre temperaturer er arbejdsfunktionen også defineret som forskellen mellem dybden af potentialbrønden og Fermi-niveauet, dvs. definition (4) udvides til enhver temperatur. Den samme definition gælder for halvledere.

Fermi-niveauet afhænger af temperaturen. Derudover, på grund af ændringen i gennemsnitlige afstande mellem atomer på grund af termisk ekspansion, ændres dybden af den potentielle brønd en smule. Dette resulterer i, at arbejdsfunktionen er lidt temperaturafhængig.

Arbejdsfunktionen er meget følsom over for metaloverfladens tilstand, især dens renhed. Efter at have valgt korrekt Fig. 8.

overfladebelægning kan arbejdsfunktionen reduceres kraftigt. For eksempel reducerer påføring af et lag af jordalkalimetaloxid (Ca, Sr, Ba) på overfladen af wolfram arbejdsfunktionen fra 4,5 eV (for rent W) til 1,5 – 2 eV.

Intern fotoelektrisk effekt

Ovenfor talte vi om frigivelsen af elektroner fra den oplyste overflade af et stof og deres overgang til et andet medium, især til et vakuum. Denne emission af elektroner kaldes fotoelektron emission, og selve fænomenet ekstern fotoeffekt. Sammen med det, den såkaldte intern fotoelektrisk effekt, hvori, i modsætning til den ydre, optisk exciterede elektroner forbliver inde i det oplyste legeme uden at krænke sidstnævntes neutralitet. I dette tilfælde ændres koncentrationen af ladningsbærere eller deres mobilitet i stoffet, hvilket fører til en ændring i stoffets elektriske egenskaber under påvirkning af lys, der falder ind på det. Den interne fotoelektriske effekt er kun iboende i halvledere og dielektriske stoffer. Det kan detekteres, især ved ændringer i ledningsevnen af homogene halvledere, når de er belyst. Baseret på dette fænomen - fotokonduktivitet skabt og konstant forbedret stor gruppe lysmodtagere – fotomodstande. De bruger hovedsageligt cadmiumselenid og sulfid.

I inhomogene halvledere, sammen med en ændring i ledningsevne, observeres dannelsen af en potentiel forskel (foto - emf). Dette fænomen (fotogalvanisk effekt) skyldes det faktum, at der på grund af homogeniteten af ledningsevnen af halvledere er en rumlig adskillelse inden for volumenet af lederen af optisk exciterede elektroner, der bærer en negativ ladning og mikrozoner (huller), der opstår i den umiddelbare nærhed af de atomer, hvorfra elektronerne er kommet af, og som partikler, der bærer positiv elementær ladning. Elektroner og huller er koncentreret i forskellige ender af halvlederen, som et resultat af hvilken en elektromotorisk kraft opstår, på grund af hvilken den genereres uden anvendelse af en ekstern emf. elektricitet i en belastning forbundet parallelt med en belyst halvleder. På denne måde opnås direkte omdannelse af lysenergi til elektrisk energi. Det er af denne grund, at fotovoltaiske lysmodtagere ikke kun bruges til at optage lyssignaler, men også i elektriske kredsløb som kilder til elektrisk energi.

De vigtigste industrielt fremstillede typer af sådanne modtagere er baseret på selen og sølvsulfid. Silicium, germanium og en række forbindelser er også meget almindelige - GaAs, InSb, CdTe og andre. Fotovoltaiske celler, der bruges til at omdanne solenergi til elektrisk energi, er blevet særligt udbredt i rumforskning som kilder til strøm om bord. De har en relativt høj koefficient nyttig handling(op til 20%) er meget praktiske under betingelser for autonom flyvning af et rumfartøj. I moderne solceller, afhængigt af halvledermaterialet, foto - emf. når 1 - 2 V, strømoptagelse fra flere tiere milliampere, og pr. 1 kg masse når udgangseffekten hundredvis af watt.

I 1887 opdagede Heinrich Rudolf Hertz et fænomen, der senere blev kaldt den fotoelektriske effekt. Han definerede dens essens som følger:

Hvis lyset fra en kviksølvlampe rettes mod natriummetal, vil elektroner flyve ud fra dens overflade.

Den moderne formulering af den fotoelektriske effekt er anderledes:

Når lysmængder falder på et stof og ved deres efterfølgende absorption, vil ladede partikler frigives helt eller delvist i stoffet.

Med andre ord, når lysfotoner absorberes, observeres følgende:

Emission af elektroner fra stof
Ændring i et stofs elektriske ledningsevne
Udseendet af foto-EMF ved grænsefladen af medier med forskellige ledningsevner (for eksempel metal-halvleder)

I øjeblikket er der tre typer fotoelektriske effekter:

Intern fotoeffekt. Det består i at ændre ledningsevnen af halvledere. Det bruges i fotoresistorer, som bruges i røntgen og dosimetre. ultraviolet stråling, også brugt i medicinsk udstyr (oximeter) og brandalarmer.
Ventil fotoeffekt. Det består i forekomsten af foto-EMF ved grænsefladen af stoffer med forskellige typer ledningsevne, som et resultat af adskillelse af bærer elektrisk ladning elektrisk felt. Det bruges i Soldrevet, i selenfotoceller og sensorer, der registrerer lysniveauer.
Ekstern fotoeffekt. Som tidligere nævnt er dette processen med elektroner, der forlader et stof i et vakuum under påvirkning af kvanter elektromagnetisk stråling.

Love ekstern fotoelektrisk effekt.

De blev installeret af Philip Lenard og Alexander Grigorievich Stoletov ved begyndelsen af det 20. århundrede. Disse videnskabsmænd målte antallet af udstødte elektroner og deres hastighed som funktion af intensiteten og frekvensen af den påførte stråling.

Første lov (Stoletovs lov):

Styrken af mætningsfotostrømmen er direkte proportional med lysstrømmen, dvs. indfaldende stråling på stof.

Teoretisk formulering: Når spændingen mellem elektroderne er nul, er fotostrømmen ikke nul. Dette forklares ved, at efter at have forladt metallet, har elektroner kinetisk energi. Ved tilstedeværelse af spænding mellem anoden og katoden stiger styrken af fotostrømmen med stigende spænding, og ved en bestemt spændingsværdi når strømmen sin maksimale værdi (mætningsfotostrøm). Det betyder, at alle de elektroner, der udsendes af katoden hvert sekund under påvirkning af elektromagnetisk stråling, deltager i skabelsen af strøm. Når polariteten vendes, falder strømmen og bliver snart nul. Her virker elektronen mod det retarderende felt på grund af kinetisk energi. Når strålingsintensiteten stiger (antallet af fotoner stiger), stiger antallet af energikvanter absorberet af metallet, og derfor stiger antallet af udsendte elektroner. Det betyder, at jo større lysstrøm, jo større er mætningsfotostrømmen.

I f us ~ F, I f us = k F

k - proportionalitetskoefficient. Følsomhed afhænger af metallets beskaffenhed. Et metals følsomhed over for den fotoelektriske effekt stiger med stigende lysfrekvens (i takt med at bølgelængden falder).

Denne lovtekst er teknisk. Den er gyldig for vakuum fotovoltaiske enheder.

Antallet af udsendte elektroner er direkte proportionalt med tætheden af den indfaldende flux med dens konstante spektrale sammensætning.

Anden lov (Einsteins lov):

Den maksimale initiale kinetiske energi af en fotoelektron er proportional med frekvensen af den indfaldende strålingsflux og afhænger ikke af dens intensitet.

E kē = => ~ hυ

Tredje lov (loven om den "røde grænse"):

For hvert stof er der en minimumsfrekvens eller maksimal længde bølge over hvilken der ikke er nogen fotoelektrisk effekt.

Denne frekvens (bølgelængde) kaldes den "røde kant" af den fotoelektriske effekt.

Således etablerer han betingelserne for den fotoelektriske effekt for et givet stof afhængigt af arbejdsfunktionen af elektronen fra stoffet og af energien af de indfaldende fotoner.

Hvis fotonenergien er mindre end arbejdsfunktionen af elektronen fra stoffet, så er der ingen fotoelektrisk effekt. Hvis fotonenergien overstiger arbejdsfunktionen, går dens overskud efter absorption af fotonen til fotoelektronens indledende kinetiske energi.

Brug det til at forklare lovene for den fotoelektriske effekt.

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekt er et specialtilfælde af loven om bevarelse og omdannelse af energi. Han baserede sin teori på lovene i den stadig spirende kvantefysik.

Einstein formulerede tre forslag:

Når de udsættes for elektroner af et stof, absorberes de indfaldende fotoner fuldstændigt.
Én foton interagerer med kun én elektron.
Én absorberet foton bidrager til frigivelsen af kun én fotoelektron med en vis E kē.

Fotonenergien bruges på elektronens arbejdsfunktion (Aout) fra stoffet og på dens begyndende kinetiske energi, som vil være maksimal, hvis elektronen forlader stoffets overflade.

E kē = hυ - A output

Jo højere frekvensen af den indfaldende stråling er, jo større er fotonernes energi, og jo mere (minus arbejdsfunktionen) er der tilbage for fotoelektronernes indledende kinetiske energi.

Jo mere intens den indfaldende stråling er, jo flere fotoner kommer ind i lysstrømmen, og jo flere elektroner kan undslippe stoffet og deltage i skabelsen af fotostrøm. Det er grunden til, at styrken af mætningsfotostrømmen er proportional med lysstrømmen (I f us ~ F). Den indledende kinetiske energi afhænger dog ikke af intensiteten, fordi Én elektron absorberer kun én fotons energi.

Introduktion

1. Historie om opdagelsen af den fotoelektriske effekt

2. Stoletovs love

3. Einsteins ligning

4. Intern fotoelektrisk effekt

5. Anvendelse af det fotoelektriske effektfænomen

Bibliografi

Introduktion

Talrige optiske fænomener blev konsekvent forklaret baseret på ideer om lysets bølgenatur. Dog i slutningen af det 19. – begyndelsen af det 20. århundrede. Sådanne fænomener som den fotoelektriske effekt, røntgenstråling, Compton-effekten, stråling af atomer og molekyler, termisk stråling og andre blev opdaget og undersøgt, hvis forklaring fra et bølgesynspunkt viste sig at være umulig. En forklaring af de nye eksperimentelle kendsgerninger blev opnået på basis af korpuskulære ideer om lysets natur. En paradoksal situation opstod relateret til brugen af helt modsatte fysiske modeller af bølger og partikler til at forklare optiske fænomener. I nogle fænomener udviste lys bølgeegenskaber, i andre - korpuskulære egenskaber.

Blandt de forskellige fænomener, hvor lysets indvirkning på materien kommer til udtryk, indtages en vigtig plads af fotoelektrisk effekt, det vil sige udsendelse af elektroner fra et stof under påvirkning af lys. Analysen af dette fænomen førte til ideen om lyskvanter og spillede en ekstremt vigtig rolle i udviklingen af moderne teoretiske koncepter. Samtidig bruges den fotoelektriske effekt i fotoceller, som har fået ekstremt bred anvendelse inden for forskellige områder af videnskab og teknologi og lover endnu rigere udsigter.

1. Historie om opdagelsen af den fotoelektriske effekt

Opdagelsen af den fotoelektriske effekt skal tilskrives 1887, hvor Hertz opdagede, at belysning af elektroderne i et tændt gnistgab med ultraviolet lys letter passagen af en gnist mellem dem.

Fænomenet opdaget af Hertz kan observeres i følgende let gennemførlige eksperiment (fig. 1).

Den fotoelektriske effekt blev forklaret i 1905 af Albert Einstein (som han modtog Nobelprisen for i 1921) baseret på Max Plancks hypotese om lysets kvantenatur. Einsteins arbejde indeholdt en vigtig ny hypotese – hvis Planck foreslog, at lys kun udsendes i kvantiserede portioner, så troede Einstein allerede, at lys kun eksisterer i form af kvanteportioner. Fra ideen om lys som partikler (fotoner) følger Einsteins formel for den fotoelektriske effekt umiddelbart:

, er den udsendte elektrons kinetiske energi, er arbejdsfunktionen for et givet stof, er frekvensen af det indfaldende lys, er Plancks konstant, som viste sig at være nøjagtig den samme som i Plancks formel for sort kropsstråling.

Denne formel antyder eksistensen af den røde grænse for den fotoelektriske effekt. Forskning i den fotoelektriske effekt var således en af de allerførste kvantemekaniske undersøgelser.

2. Stoletovs love

I 1898 bestemte Lenard og Thomson, ved hjælp af metoden til at afbøje ladninger i elektriske og magnetiske felter, den specifikke ladning af ladede partikler udstødt fra Fig. 2. Skema af Stoletovs eksperiment.

lys fra katoden, og modtog udtrykket

SGSE enheder s/g, der falder sammen med den kendte specifikke ladning af elektronen. Det fulgte, at under påvirkning af lys blev elektroner udstødt fra katodestoffet.

Ved at opsummere de opnåede resultater blev følgende fastslået mønstre fotoeffekt:

1. Med en konstant spektral sammensætning af lys er styrken af mætningsfotostrømmen direkte proportional med lysstrømmen, der falder ind på katoden.

2. Den indledende kinetiske energi af elektroner, der udstødes af lys, stiger lineært med stigende lysfrekvens og afhænger ikke af dets intensitet.

3. Den fotoelektriske effekt opstår ikke, hvis lysets frekvens er mindre end en vis værdi, der er karakteristisk for hvert metal

, kaldet den røde kant.

Den første regelmæssighed af den fotoelektriske effekt, såvel som forekomsten af selve den fotoelektriske effekt, kan let forklares ud fra den klassiske fysiks love. Faktisk exciterer lysfeltet, der virker på elektronerne inde i metallet, deres vibrationer. Amplituden af tvungne oscillationer kan nå en sådan værdi, hvor elektroner forlader metallet; så observeres den fotoelektriske effekt.

På grund af det faktum, at lysintensiteten ifølge klassisk teori er direkte proportional med kvadratet af den elektriske vektor, stiger antallet af udstødte elektroner med stigende lysintensitet.

Den anden og tredje lov for den fotoelektriske effekt er ikke forklaret af den klassiske fysiks love.

Ved at studere afhængigheden af fotostrømmen (fig. 3), som opstår, når et metal bestråles af en strøm af monokromatisk lys, af potentialforskellen mellem elektroderne (denne afhængighed kaldes sædvanligvis fotostrømmens volt-ampere karakteristik), blev fastslået, at: 1) fotostrømmen opstår ikke kun når

, men også med ; 2) fotostrømmen er forskellig fra nul til en negativ potentialforskel strengt defineret for et givet metal, det såkaldte retarderende potentiale; 3) størrelsen af det blokerende (forsinkende) potentiale afhænger ikke af intensiteten af det indfaldende lys; 4) fotostrømmen stiger med faldende absolutte værdi af retarderingspotentialet; 5) størrelsen af fotostrømmen stiger med stigende og fra en vis værdi bliver fotostrømmen (den såkaldte mætningsstrøm) konstant; 6) størrelsen af mætningsstrømmen stiger med stigende intensitet af det indfaldende lys; 7) forsinkelsesværdi Fig. 3. Karakteristika

potentialet afhænger af frekvensen af det indfaldende lys; fotostrøm

8) hastigheden af elektroner, der udstødes under påvirkning af lys, afhænger ikke af lysets intensitet, men afhænger kun af dets frekvens.

3. Einsteins ligning

Fænomenet med den fotoelektriske effekt og alle dens love er godt forklaret ved hjælp af lysets kvanteteori, som bekræfter lysets kvantenatur.

Den fotoelektriske effekt er frigivelse (hel eller delvis) af elektroner fra bindinger med atomer og molekyler af et stof under påvirkning af lys (synligt, infrarødt og ultraviolet). Hvis elektroner går ud over det oplyste stof ( fuldstændig befrielse), så kaldes den fotoelektriske effekt ekstern (opdaget i 1887 af Hertz og undersøgt i detaljer i 1888 af L.G. Stoletov). Hvis elektroner kun mister kontakten med "deres" atomer og molekyler, men forbliver inde i det oplyste stof som "frie elektroner" (delvis frigivelse), og derved øger stoffets elektriske ledningsevne, så kaldes den fotoelektriske effekt intern (opdaget i 1873 af den amerikanske fysiker W. Smith).

Den eksterne fotoelektriske effekt observeres i metaller. Hvis for eksempel en zinkplade tilsluttet et elektroskop og negativt ladet lyser ultraviolette stråler, så vil elektroskopet hurtigt aflades; i tilfælde af en positivt ladet plade sker der ingen udladning. Det følger, at lys trækker negativt ladede partikler ud af metallet; bestemmelse af størrelsen af deres ladning (udført i 1898 af J. J. Thomson) viste, at disse partikler er elektroner.

Det grundlæggende målekredsløb, hvormed den eksterne fotoelektriske effekt blev undersøgt, er vist i fig. 368.

Batteriets negative pol er forbundet til metalpladen K (katode), den positive pol er forbundet med hjælpeelektroden A (anode). Begge elektroder er anbragt i en evakueret beholder med et kvartsvindue F (gennemsigtigt for optisk stråling). Da det elektriske kredsløb er åbent, er der ingen strøm i det. Når katoden er oplyst, trækker lyset elektroner (fotoelektroner) ud fra den og skynder sig til anoden; en strøm (fotostrøm) vises i kredsløbet.

Kredsløbet gør det muligt at måle styrken af fotostrømmen (med et galvanometer og fotoelektronernes hastighed ved forskellige betydninger spænding mellem katode og anode og kl forskellige forhold katode belysning.

Eksperimentelle undersøgelser udført af Stoletov såvel som andre videnskabsmænd førte til etableringen af følgende grundlæggende love for den eksterne fotoelektriske effekt.

1. Mætningsfotostrøm I (dvs. det maksimale antal elektroner frigivet af lys på 1 s) er direkte proportional med lysstrømmen F:

hvor proportionalitetskoefficienten kaldes lysfølsomheden af den belyste overflade (målt i mikroampere pr. lumen, forkortet som

2. Fotoelektronernes hastighed stiger med stigende frekvens af indfaldende lys og afhænger ikke af dets intensitet.

3. Uanset lysintensiteten begynder den fotoelektriske effekt kun ved en bestemt (for et givet metal) minimumsfrekvens af lys, kaldet den "røde grænse" for den fotoelektriske effekt.

Den anden og tredje lov for den fotoelektriske effekt kan ikke forklares ud fra lysets bølgeteori. Faktisk, ifølge denne teori, er lysets intensitet proportional med kvadratet af amplituden elektromagnetisk bølge, "rokker" elektronen i metallet. Derfor ville lys af enhver frekvens, men med tilstrækkelig høj intensitet, skulle trække elektroner ud af metallet; med andre ord bør der ikke være nogen "rød grænse" for den fotoelektriske effekt. Denne konklusion er i modstrid med den tredje lov om den fotoelektriske effekt. Ydermere, jo større lysets intensitet er, jo større kinetisk energi skal elektronen modtage fra det. Derfor ville fotoelektronens hastighed stige med stigende lysintensitet; denne konklusion er i modstrid med den anden lov om den fotoelektriske effekt.

Lovene for den eksterne fotoelektriske effekt får en simpel fortolkning baseret på kvanteteorien om lys. Ifølge denne teori bestemmes størrelsen af lysstrømmen af antallet af lyskvanter (fotoner), der pr. tidsenhed indfalder på metaloverfladen. Hver foton kan kun interagere med én elektron. Derfor

det maksimale antal fotoelektroner skal være proportionalt med lysstrømmen (den første lov for den fotoelektriske effekt).

Fotonenergien, der absorberes af elektronen, bruges på elektronen, der udfører arbejdet med udgang A fra metallet (se § 87); resten af denne energi er fotoelektronens kinetiske energi (elektronens masse, dens hastighed). Så kan vi ifølge loven om energibevarelse skrive

Denne formel, foreslået i 1905 af Einstein og derefter bekræftet af adskillige eksperimenter, kaldes Einstein-ligningen.

Fra Einsteins ligning er det direkte klart, at en fotoelektrons hastighed stiger med stigende lysfrekvens og ikke afhænger af dens intensitet (da hverken eller afhænger af lysets intensitet). Denne konklusion svarer til den anden lov om den fotoelektriske effekt.

Ifølge formel (26), når lysets frekvens falder, falder fotoelektronernes kinetiske energi (værdien af A er konstant for et givet belyst stof). Ved en tilstrækkelig lav frekvens (eller bølgelængde) vil fotoelektronens kinetiske energi blive nul, og den fotoelektriske effekt vil ophøre (tredje lov for den fotoelektriske effekt, dvs. i det tilfælde, hvor al fotonenergien er brugt). på at udføre elektronens arbejdsfunktion

Formler (27) bestemmer den "røde grænse" for den fotoelektriske effekt. Af disse formler følger, at det afhænger af værdien af arbejdsfunktionen (af fotokatodens materiale).

Tabellen viser værdierne for arbejdsfunktionen A (i elektronvolt) og den røde grænse for den fotoelektriske effekt (i mikrometer) for nogle metaller.

(se scanning)

Tabellen viser, at for eksempel en cæsiumfilm aflejret på wolfram giver en fotoelektrisk effekt selv under infrarød bestråling, den fotoelektriske effekt kan kun forårsages af synligt og ultraviolet lys, og for zink - kun af ultraviolet.

En vigtig fysisk og teknisk enhed kaldet en vakuumfotocelle er baseret på den eksterne fotoelektriske effekt (det er en modifikation af installationen, der er vist skematisk i fig. 368).

Katoden K af vakuumfotocellen er et lag af metal aflejret på den indre overflade af den evakuerede glasbeholder B (fig. 369; G - galvanometer); anode A er lavet i form af en metalring placeret i den centrale del af cylinderen. Når katoden er belyst, opstår der en elektrisk strøm i fotocellekredsløbet, hvis styrke er proportional med størrelsen af lysstrømmen.

De fleste moderne solceller har antimon-cæsium- eller oxygen-cæsium-katoder, som har høj lysfølsomhed. Cæsium ilt fotoceller er følsomme over for infrarød og synligt lys(følsomhed antimon-cæsium fotoceller er følsomme over for synligt og ultraviolet lys (følsomhed

I nogle tilfælde, for at øge fotocellens følsomhed, fyldes den med argon ved et tryk på omkring 1 Pa. Fotostrømmen i en sådan fotocelle forstærkes på grund af argonionisering forårsaget af kollisioner af fotoelektroner med argonatomer. Lysfølsomheden af gasfyldte fotoceller er ca.

Den interne fotoelektriske effekt observeres i halvledere og i mindre grad i dielektriske stoffer. Skemaet til observation af den interne fotoelektriske effekt er vist i fig. 370. En halvlederplade er forbundet i serie med et galvanometer til polerne på et batteri. Strømmen i dette kredsløb er ubetydelig, fordi halvlederen har høj modstand. Men når pladen er oplyst, stiger strømmen i kredsløbet kraftigt. Dette skyldes det faktum, at lys fjerner elektroner fra halvlederens atomer, som, forbliver inde i halvlederen, øger dens elektriske ledningsevne (reducerer modstand).

Fotoceller baseret på den interne fotoelektriske effekt kaldes halvlederfotoceller eller fotomodstande. Selen, blysulfid, cadmiumsulfid og nogle andre halvledere bruges til deres fremstilling. Lysfølsomheden af halvlederfotoceller er hundredvis af gange højere end lysfølsomheden af vakuumfotoceller. Nogle fotoceller har en tydelig spektral følsomhed. Selenfotocellen har en spektral følsomhed tæt på det menneskelige øjes spektrale følsomhed (se fig. 304, § 118).

Ulempen ved halvlederfotoceller er deres mærkbare inerti: ændringen i fotostrøm halter efter ændringen i fotocellens belysning. Derfor halvleder

fotoceller er uegnede til optagelse af hurtigt skiftende lysstrømme.

En anden type fotocelle er baseret på den interne fotoelektriske effekt - en halvlederfotocelle med et barrierelag eller en portfotocelle. Diagrammet af denne fotocelle er vist i fig. 371.

En metalplade og et tyndt lag halvleder aflejret på den er forbundet med en ekstern elektriske kredsløb indeholdende et galvanometer Som det blev vist (se § 90), dannes der i halvlederens kontaktzone med metallet et blokeringslag B, som har gateledningsevne: det passerer kun elektroner i retningen fra halvlederen til metallet. Når et halvlederlag belyses, opstår der frie elektroner i det på grund af den interne fotoelektriske effekt. Når de passerer (i processen med kaotisk bevægelse) gennem barrierelaget ind i metallet og ikke er i stand til at bevæge sig i den modsatte retning, danner disse elektroner en overskydende negativ ladning i metallet. En halvleder, der er frataget nogle af sine "egne" elektroner, får en positiv ladning. Den potentialeforskel (ca. 0,1 V), der opstår mellem halvlederen og metallet, skaber en strøm i fotocellekredsløbet.

En ventilfotocelle er således en strømgenerator, der direkte omdanner lysenergi til elektrisk energi.

Selen, kobber(I)oxid, thalliumsulfid, germanium og silicium bruges som halvledere i en ventilfotocelle. Lysfølsomheden af ventilfotoceller er

Effektiviteten af moderne siliciumsolceller (belyst sollys) når ifølge teoretiske beregninger, kan den øges til 22%.

Da fotostrømmen er proportional med lysstrømmen, bruges fotoceller som fotometriske enheder. Sådanne anordninger omfatter for eksempel en lux-måler (lysmåler) og en fotoelektrisk eksponeringsmåler.

Fotocellen giver dig mulighed for at konvertere udsving i lysstrøm til tilsvarende udsving i fotostrøm, som er meget udbredt inden for lydfilmteknologi, fjernsyn mv.

Betydningen af fotoceller til telemekanisering og automatisering er ekstrem stor produktionsprocesser. I kombination med en elektronisk forstærker og et relæ er fotocellen en integreret del af automatiske enheder, der som reaktion på lyssignaler styrer driften af forskellige industri- og landbrugsinstallationer og transportmekanismer.

Den praktiske anvendelse af ventilfotoceller som el-generatorer er meget lovende. Batterier af siliciumfotoceller, kaldet solceller, bruges med succes på sovjetiske rumsatellitter og skibe til at drive radioudstyr. For det samlet areal fotoceller skal være store nok. For eksempel på rumskib Soyuz-3, overfladearealet af solpanelerne var ca

Når effektiviteten af solpaneler øges til 20-22%, vil de uden tvivl blive af afgørende betydning blandt de kilder, der genererer elektricitet til industrielle og private behov.

Han fremsatte en hypotese: lys udsendes og absorberes i separate portioner - kvanter (eller fotoner). Hver fotons energi bestemmes af formlen E= h ν , Hvor h - Plancks konstant lig med 6,63. 10 -34 J. s, ν - lysets frekvens. Plancks hypotese forklarede mange fænomener: især fænomenet med den fotoelektriske effekt, opdaget i 1887 af den tyske videnskabsmand Heinrich Hertz og studeret eksperimentelt af den russiske videnskabsmand A.G. Stoletov.

Foto effekt — Dette er fænomenet med emission af elektroner fra et stof under påvirkning af lys.

Som et resultat af forskning blev tre love for den fotoelektriske effekt etableret:

1. Styrken af mætningsstrømmen er direkte proportional med intensiteten af lysstråling, der falder ind på kroppens overflade.

2. Den maksimale kinetiske energi af fotoelektroner stiger lineært med lysets frekvens og afhænger ikke af dets intensitet.

3. Hvis lysets frekvens er mindre end en vis minimumsfrekvens bestemt for et givet stof, så opstår den fotoelektriske effekt ikke.

Fotostrømmens afhængighed af spændingen er vist i figur 36.

Teorien om den fotoelektriske effekt blev skabt af den tyske videnskabsmand A. Einstein i 1905. Einsteins teori er baseret på konceptet om arbejdsfunktionen af elektroner fra et metal og konceptet om kvantestråling af lys. Ifølge Einsteins teori har den fotoelektriske effekt følgende forklaring: ved at absorbere en lyskvantum erhverver en elektron energi hv. Når man forlader metallet, falder energien af hver elektron med en vis mængde, hvilket kaldes arbejdsfunktion(Ah ud). Arbejdsfunktion er det arbejde, der kræves for at fjerne en elektron fra et metal. Den maksimale energi af elektroner efter afgang (hvis der ikke er andre tab) har formen: mv 2 /2 = hv - A output, Denne ligning kaldes Einstein-ligningen .

Hvis hν< Men den fotoelektriske effekt opstår ikke. Midler, rød fotoeffektkant svarende til ν min = A output /h

Enheder baseret på princippet om den fotoelektriske effekt kaldes foto elementer. Den enkleste sådan enhed er en vakuumfotocelle. Ulemperne ved en sådan fotocelle er: lav strøm, lav følsomhed over for langbølget stråling, vanskeligheder ved fremstilling, umulighed at bruge i vekselstrømkredsløb. Det bruges i fotometri til at måle lysstyrke, lysstyrke, belysning, i biograf til lydgengivelse, i fototelegrafer og fotofoner, i styring af produktionsprocesser.

Der er halvlederfotoceller, hvor koncentrationen af strømbærere under påvirkning af lys ændres. De bruges til automatisk styring af elektriske kredsløb (for eksempel i tællere i undergrundsbanen), i vekselstrømkredsløb og som ikke-vedvarende strøm. kilder i ure, mikroberegnere, de første solcellebiler bliver testet, og bruges i solbatterier på kunstige jordsatellitter, interplanetariske og orbitale automatiske stationer.

Fænomenet med den fotoelektriske effekt er forbundet med fotokemiske processer, der forekommer under påvirkning af lys i fotografiske materialer.

typer af fotoelektrisk effekt. Stoletovs love for den eksterne fotoelektriske effekt. compton effekt

Lignende artikler

Læs også