tipi di effetto fotoelettrico. Leggi di Stoletov. Equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico esterno. effetto compton

1. Storia della scoperta dell'effetto fotoelettrico

2. Le leggi di Stoletov

3. Equazione di Einstein

4. Effetto fotoelettrico interno

5. Applicazione del fenomeno dell'effetto fotoelettrico

introduzione

Numerosi fenomeni ottici sono stati spiegati in modo coerente sulla base di idee sulla natura ondulatoria della luce. Tuttavia, tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo. Sono stati scoperti e studiati fenomeni come l'effetto fotoelettrico, la radiazione dei raggi X, l'effetto Compton, la radiazione di atomi e molecole, la radiazione termica e altri, la cui spiegazione dal punto di vista ondulatorio si è rivelata impossibile. Una spiegazione dei nuovi fatti sperimentali è stata ottenuta sulla base di idee corpuscolari sulla natura della luce. Si è creata una situazione paradossale che coinvolge l'uso del tutto opposto modelli fisici onde e particelle per spiegare fenomeni ottici. In alcuni fenomeni la luce presenta proprietà ondulatorie, in altri proprietà corpuscolari.

Tra i vari fenomeni in cui si manifesta l'effetto della luce sulla materia, un posto importante è occupato da effetto fotoelettrico, cioè l'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'influenza della luce. L'analisi di questo fenomeno ha portato all'idea dei quanti di luce e ha svolto un ruolo estremamente importante nello sviluppo dei concetti teorici moderni. Allo stesso tempo, l'effetto fotoelettrico viene utilizzato nelle fotocellule che hanno ricevuto esclusivamente ampia applicazione nei più diversi campi della scienza e della tecnologia e promette prospettive ancora più ricche.

Storia della scoperta dell'effetto fotoelettrico

La scoperta dell'effetto fotoelettrico dovrebbe essere fatta risalire al 1887, quando Hertz scoprì quella dell'illuminazione luce ultravioletta Gli elettrodi spinterometrici energizzati facilitano il passaggio di una scintilla tra di loro.

Il fenomeno scoperto da Hertz può essere osservato nel seguente esperimento facilmente realizzabile (Fig. 1).

La dimensione dello spinterometro F è selezionata in modo tale che in un circuito costituito da un trasformatore T e un condensatore C, la scintilla passa con difficoltà (una o due volte al minuto). Se si illuminano gli elettrodi F, di zinco puro, con la luce di una lampada al mercurio Hg, allora la scarica del condensatore è molto facilitata: inizia a scoccare una scintilla Fig. 1. Schema dell'esperimento di Hertz.

L'effetto fotoelettrico fu spiegato nel 1905 da Albert Einstein (per il quale ricevette un premio premio Nobel) basato sull'ipotesi di Max Planck sulla natura quantistica della luce. Il lavoro di Einstein conteneva una nuova importante ipotesi: se Planck suggeriva che la luce viene emessa solo in porzioni quantizzate, allora Einstein credeva già che la luce esiste solo sotto forma di porzioni quantistiche. Dall’idea della luce come particelle (fotoni), segue immediatamente la formula di Einstein per l’effetto fotoelettrico:

Dove - energia cinetica di un elettrone emesso, – la funzione lavoro per una data sostanza, – la frequenza della luce incidente, – la costante di Planck, che risultò essere esattamente la stessa della formula di Planck per la radiazione del corpo nero.

Questa formula implica l'esistenza di un confine rosso dell'effetto fotoelettrico. Pertanto, la ricerca sull’effetto fotoelettrico è stata uno dei primissimi studi di meccanica quantistica.

Le leggi di Stoletov

Per la prima volta (1888–1890), analizzando in dettaglio il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, il fisico russo A.G. Stoletov ha ottenuto risultati di fondamentale importanza. A differenza dei ricercatori precedenti, ha preso in considerazione una piccola differenza di potenziale tra gli elettrodi. Lo schema dell'esperimento di Stoletov è mostrato in Fig. 2.

Alla batteria sono collegati due elettrodi (uno a forma di griglia, l'altro piatto), situati nel vuoto. Un amperometro collegato al circuito viene utilizzato per misurare la corrente risultante. Irradiando il catodo con luce di varie lunghezze d'onda, Stoletov giunse alla conclusione che i raggi ultravioletti avevano l'effetto più efficace. Inoltre, si è scoperto che la forza della corrente generata dalla luce è direttamente proporzionale alla sua intensità.

Nel 1898, Lenard e Thomson usarono il metodo per deviare le cariche nei sistemi elettrici e campi magnetici determinato la carica specifica delle particelle cariche espulse dalla Fig. 2. Schema dell'esperimento di Stoletov.

luce dal catodo e ricevette l'espressione

unità SGSE s/g, che coincide con la carica specifica nota dell'elettrone. Ne conseguiva che, sotto l'influenza della luce, gli elettroni venivano espulsi dalla sostanza catodica.

Riassumendo i risultati ottenuti si è stabilito quanto segue modelli fotoeffetto:

1. Con costante composizione spettrale luce, l'intensità della fotocorrente di saturazione è direttamente proporzionale al flusso luminoso incidente sul catodo.

2. L'energia cinetica iniziale degli elettroni espulsi dalla luce aumenta linearmente con l'aumentare della frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità.

3. L'effetto fotoelettrico non si verifica se la frequenza della luce è inferiore ad un certo valore caratteristico di ciascun metallo, chiamato limite rosso.

La prima regolarità dell'effetto fotoelettrico, così come il verificarsi dell'effetto fotoelettrico stesso, possono essere facilmente spiegate sulla base delle leggi della fisica classica. Il campo luminoso, infatti, agendo sugli elettroni all'interno del metallo, ne eccita le vibrazioni. Ampiezza oscillazioni forzate può raggiungere un valore al quale gli elettroni lasciano il metallo; quindi si osserva l'effetto fotoelettrico.

Poiché, secondo la teoria classica, l'intensità della luce è direttamente proporzionale al quadrato del vettore elettrico, il numero di elettroni emessi aumenta con l'aumentare dell'intensità della luce.

La seconda e la terza legge dell'effetto fotoelettrico non sono spiegate dalle leggi della fisica classica.

Studiando la dipendenza della fotocorrente (Fig. 3), che si verifica quando un metallo viene irradiato con un flusso di luce monocromatica, dalla differenza di potenziale tra gli elettrodi (questa dipendenza è solitamente chiamata caratteristica volt-ampere della fotocorrente), è stato stabilito che: 1) la fotocorrente si verifica non solo a, ma anche a; 2) la fotocorrente è diversa da zero a strettamente definita per un dato metallo valore negativo differenza di potenziale, il cosiddetto potenziale ritardante; 3) l'entità del potenziale di blocco (ritardante) non dipende dall'intensità della luce incidente; 4) la fotocorrente aumenta al diminuire del valore assoluto del potenziale ritardante; 5) l'entità della fotocorrente aumenta all'aumentare e da un certo valore la fotocorrente (la cosiddetta corrente di saturazione) diventa costante; 6) l'entità della corrente di saturazione aumenta con l'aumentare dell'intensità della luce incidente; 7) valore del ritardo Fig. 3. Caratteristiche

il potenziale dipende dalla frequenza della luce incidente; fotocorrente

8) la velocità degli elettroni espulsi sotto l'influenza della luce non dipende dall'intensità della luce, ma dipende solo dalla sua frequenza.

L'equazione di Einstein

Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico e tutte le sue leggi sono ben spiegate utilizzando la teoria quantistica della luce, che conferma la natura quantistica della luce.

Come già notato, Einstein (1905), sviluppando la teoria quantistica di Planck, avanzò l’idea che non solo la radiazione e l’assorbimento, ma anche la propagazione della luce avviene in porzioni (quanti), la cui energia e quantità di moto:

dove è il versore unitario diretto lungo il vettore d'onda. Applicando la legge di conservazione dell'energia al fenomeno dell'effetto fotoelettrico nei metalli, Einstein propose la seguente formula:

, (1)

dove è la funzione lavoro di un elettrone dal metallo e è la velocità del fotoelettrone. Secondo Einstein, ogni quanto viene assorbito da un solo elettrone, e parte dell'energia del fotone incidente viene spesa per svolgere la funzione lavoro dell'elettrone metallico, mentre la restante parte trasmette energia cinetica all'elettrone.

Come segue dalla (1), l'effetto fotoelettrico nei metalli può verificarsi solo a , altrimenti l'energia del fotone sarà insufficiente per strappare un elettrone dal metallo. La frequenza più bassa della luce sotto la quale si verifica l'effetto fotoelettrico è determinata, ovviamente, dalle condizioni

La frequenza della luce determinata dalla condizione (2) è chiamata “limite rosso” dell'effetto fotoelettrico. La parola "rosso" non ha nulla a che fare con il colore della luce in cui si verifica l'effetto fotoelettrico. A seconda del tipo di metallo, il “bordo rosso” dell’effetto fotoelettrico può corrispondere alla luce rossa, gialla, viola, ultravioletta, ecc.

Usando la formula di Einstein si possono spiegare altre regolarità dell'effetto fotoelettrico.

Supponiamo che tra anodo e catodo esista un potenziale di frenatura. Se l'energia cinetica degli elettroni è sufficiente, allora, dopo aver superato il campo frenante, creano una fotocorrente. Quegli elettroni per i quali la condizione è soddisfatta partecipano alla fotocorrente . L'entità del potenziale di ritardo è determinata dalla condizione

, (3)

Dove - velocità massima elettroni espulsi. Riso. 4.

Sostituendo (3) in (1), otteniamo

Pertanto, l'entità del potenziale ritardante non dipende dall'intensità, ma dipende solo dalla frequenza della luce incidente.

La funzione lavoro degli elettroni del metallo e la costante di Planck possono essere determinate tracciando la dipendenza dalla frequenza della luce incidente (Fig. 4). Come puoi vedere, il segmento tagliato dall'asse potenziale dà .

Dato che l'intensità della luce è direttamente proporzionale al numero di fotoni, un aumento dell'intensità della luce incidente porta ad un aumento del numero di elettroni emessi, cioè ad un aumento della fotocorrente.

La formula di Einstein per l'effetto fotoelettrico nei non metalli ha la forma

.

La presenza del lavoro di rimozione di un elettrone legato da un atomo all'interno dei non metalli è spiegata dal fatto che, a differenza dei metalli, dove sono presenti elettroni liberi, nei non metalli gli elettroni sono in uno stato legato agli atomi. Ovviamente, quando la luce cade sui non metalli, parte dell'energia luminosa viene spesa per l'effetto fotoelettrico nell'atomo - sulla separazione di un elettrone dall'atomo, e la parte rimanente viene spesa per la funzione di lavoro dell'elettrone e per impartire energia cinetica all'elettrone.

Gli elettroni di conduzione non lasciano spontaneamente il metallo in quantità apprezzabili. Ciò si spiega con il fatto che il metallo rappresenta per loro un potenziale buco. Solo gli elettroni la cui energia è sufficiente a superare la barriera di potenziale presente sulla superficie riescono a lasciare il metallo. Le forze che causano questa barriera hanno la seguente origine. La rimozione casuale di un elettrone dallo strato esterno di ioni positivi del reticolo provoca la comparsa di un eccesso di carica positiva nel punto in cui è uscito l'elettrone. L'interazione coulombiana con questa carica costringe l'elettrone, la cui velocità non è molto elevata, a ritornare indietro. Pertanto, i singoli elettroni lasciano costantemente la superficie del metallo, si allontanano da essa per diverse distanze interatomiche e poi tornano indietro. Di conseguenza, il metallo è circondato da una sottile nuvola di elettroni. Questa nuvola, insieme allo strato esterno di ioni, forma un doppio strato elettrico (Fig. 5; i cerchi sono ioni, i punti neri sono elettroni). Le forze che agiscono sull'elettrone in tale strato sono dirette nel metallo. Il lavoro compiuto contro queste forze nel trasferimento di un elettrone dal metallo verso l'esterno va ad aumentare l'energia potenziale dell'elettrone (Fig. 5).

Così, energia potenziale Ci sono meno elettroni di valenza all'interno del metallo che all'esterno di una quantità pari alla profondità del pozzo di potenziale (Fig. 6). La variazione di energia avviene su una lunghezza dell'ordine di diverse distanze interatomiche, quindi le pareti del pozzo possono essere considerate verticali.

Energia potenziale dell’elettrone Fig. 6.

e il potenziale del punto in cui si trova l'elettrone hanno segni opposti. Ne consegue che il potenziale all'interno del metallo è maggiore del potenziale nelle immediate vicinanze della sua superficie di una certa quantità.

Dare al metallo una carica positiva in eccesso aumenta il potenziale sia sulla superficie che all'interno del metallo. L'energia potenziale dell'elettrone diminuisce di conseguenza (Fig. 7, a).

Come punto di riferimento si prendono i valori del potenziale e dell'energia potenziale all'infinito. Il messaggio di carica negativa abbassa il potenziale all'interno e all'esterno del metallo. Di conseguenza, l'energia potenziale dell'elettrone aumenta (Fig. 7, b).

L'energia totale di un elettrone in un metallo è costituita da energia potenziale e cinetica. Allo zero assoluto i valori dell'energia cinetica degli elettroni di conduzione vanno da zero al livello energetico coincidente con il livello di Fermi. Nella fig. 8, i livelli energetici della banda di conduzione sono inscritti nella buca di potenziale (la linea tratteggiata mostra i livelli non occupati a 0K). Per essere rimossi dal metallo, elettroni diversi devono ricevere energie diverse. Pertanto, è necessario fornire energia ad un elettrone situato al livello più basso della banda di conduzione; per un elettrone situato al livello di Fermi c'è energia sufficiente .

Si chiama energia minima che deve essere impartita ad un elettrone per allontanarlo da un corpo solido o liquido nel vuoto funzione di lavoro. La funzione lavoro di un elettrone da un metallo è determinata dall'espressione

Abbiamo ottenuto questa espressione partendo dal presupposto che la temperatura del metallo sia 0K. Ad altre temperature, la funzione lavoro è definita anche come la differenza tra la profondità del pozzo potenziale e il livello di Fermi, ovvero la definizione (4) è estesa a qualsiasi temperatura. La stessa definizione vale per i semiconduttori.

Il livello di Fermi dipende dalla temperatura. Inoltre, a causa della variazione delle distanze medie tra gli atomi dovuta all'espansione termica, la profondità del pozzo potenziale cambia leggermente. Ciò fa sì che la funzione di lavoro sia leggermente dipendente dalla temperatura.

La funzione lavorativa è molto sensibile allo stato della superficie metallica, in particolare alla sua pulizia. Avendo opportunamente selezionato la Fig. 8.

rivestimento superficiale, la funzione lavorativa può essere notevolmente ridotta. Ad esempio, applicando uno strato di ossido di metallo alcalino terroso (Ca, Sr, Ba) alla superficie del tungsteno si riduce la funzione di lavoro da 4,5 eV (per W puro) a 1,5 – 2 eV.

Effetto fotoelettrico interno

Sopra abbiamo parlato del rilascio di elettroni dalla superficie illuminata di una sostanza e della loro transizione verso un altro mezzo, in particolare nel vuoto. Questa emissione di elettroni si chiama emissione di fotoelettroni e il fenomeno stesso fotoeffetto esterno. Insieme ad esso, il cosiddetto effetto fotoelettrico interno, in cui, a differenza di quello esterno, gli elettroni otticamente eccitati rimangono all'interno del corpo illuminato senza violare la neutralità di quest'ultimo. In questo caso, la concentrazione dei portatori di carica o la loro mobilità nella sostanza cambia, il che porta a un cambiamento nelle proprietà elettriche della sostanza sotto l'influenza della luce incidente su di essa. L'effetto fotoelettrico interno è inerente solo ai semiconduttori e ai dielettrici. Può essere rilevato, in particolare, dai cambiamenti nella conduttività dei semiconduttori omogenei quando illuminati. Sulla base di questo fenomeno - fotoconduttività creato e costantemente migliorato grande gruppo ricevitori di luce – fotoresistori. Utilizzano principalmente seleniuro e solfuro di cadmio.

Nei semiconduttori disomogenei, insieme a un cambiamento di conduttività, si osserva anche la formazione di una differenza potenziale (foto - emf). Questo fenomeno (effetto fotogalvanico) è dovuto al fatto che, a causa dell'omogeneità della conduttività dei semiconduttori, si ha una separazione spaziale all'interno del volume del conduttore di elettroni otticamente eccitati e portatori di carica negativa e di microzone (buchi) che si formano in le immediate vicinanze degli atomi ai quali sono stati strappati gli elettroni, e come particelle portatrici di carica elementare positiva. Elettroni e lacune sono concentrati su diverse estremità del semiconduttore, a seguito della quale si forma una forza elettromotrice, grazie alla quale viene generata senza l'applicazione di una fem esterna. elettricità in un carico collegato in parallelo con un semiconduttore illuminato. In questo modo si ottiene la conversione diretta dell'energia luminosa in energia elettrica. È per questo motivo che i ricevitori di luce fotovoltaici vengono utilizzati non solo per la registrazione dei segnali luminosi, ma anche nei circuiti elettrici come fonti di energia elettrica.

I principali tipi prodotti industrialmente di tali ricevitori sono basati sul selenio e sul solfuro d'argento. Molto comuni sono anche il silicio, il germanio e numerosi composti: GaAs, InSb, CdTe e altri. Particolarmente diffuse sono le celle fotovoltaiche, utilizzate per convertire l’energia solare in energia elettrica ricerca spaziale come fonti di energia a bordo. Hanno un coefficiente relativamente alto azione utile(fino al 20%) sono molto convenienti in condizioni di volo autonomo di un veicolo spaziale. Nelle moderne celle solari, a seconda del materiale semiconduttore, foto - emf. raggiunge 1 - 2 V, assorbimento di corrente da diverse decine di milliampere e per 1 kg di massa la potenza di uscita raggiunge centinaia di watt.

Nel 1887 Heinrich Rudolf Hertz scoprì un fenomeno successivamente chiamato effetto fotoelettrico. Ne definì l'essenza come segue:

Se la luce di una lampada al mercurio viene diretta sul sodio metallico, gli elettroni voleranno via dalla sua superficie.

La formulazione moderna dell'effetto fotoelettrico è diversa:

Quando i quanti di luce cadono su una sostanza e in seguito al loro successivo assorbimento, le particelle cariche verranno parzialmente o completamente rilasciate nella sostanza.

In altre parole, quando i fotoni luminosi vengono assorbiti, si osserva quanto segue:

1. Emissione di elettroni dalla materia
2. Variazione della conduttività elettrica di una sostanza
3. La comparsa di foto-EMF all'interfaccia di mezzi con diverse conduttività (ad esempio, metallo-semiconduttore)

Attualmente esistono tre tipi di effetto fotoelettrico:

1. Fotoeffetto interno. Consiste nel modificare la conduttività dei semiconduttori. Viene utilizzato nei fotoresistori, utilizzati nei raggi X e nei dosimetri. radiazioni ultraviolette, utilizzato anche nei dispositivi medici (ossimetro) e negli allarmi antincendio.
2. Fotoeffetto valvola. Consiste nella presenza di foto-EMF all'interfaccia delle sostanze con tipi diversi conduttività, come risultato della separazione dei portatori carica elettrica campo elettrico. È usato dentro alimentato ad energia solare, in fotocellule e sensori al selenio che registrano i livelli di luce.
3. Fotoeffetto esterno. Come accennato in precedenza, questo è il processo con cui gli elettroni lasciano una sostanza nel vuoto sotto l'influenza dei quanti radiazioni elettromagnetiche.

Legislazione effetto fotoelettrico esterno.

Furono installati da Philip Lenard e Alexander Grigorievich Stoletov all'inizio del XX secolo. Questi scienziati hanno misurato il numero di elettroni espulsi e la loro velocità in funzione dell'intensità e della frequenza della radiazione applicata.

Prima legge (legge di Stoletov):

L'intensità della fotocorrente di saturazione è direttamente proporzionale al flusso luminoso, cioè radiazione incidente sulla materia.

Formulazione teorica: Quando la tensione tra gli elettrodi è zero, la fotocorrente non è zero. Ciò è spiegato dal fatto che dopo aver lasciato il metallo, gli elettroni hanno energia cinetica. In presenza di tensione tra anodo e catodo, l'intensità della fotocorrente aumenta all'aumentare della tensione, e ad un certo valore di tensione la corrente raggiunge il suo valore massimo (fotocorrente di saturazione). Ciò significa che tutti gli elettroni emessi dal catodo ogni secondo sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica prendono parte alla creazione di corrente. Quando la polarità viene invertita, la corrente diminuisce e presto diventa zero. Qui l'elettrone lavora contro il campo ritardante a causa dell'energia cinetica. All’aumentare dell’intensità della radiazione (aumento del numero di fotoni), aumenta il numero di quanti di energia assorbiti dal metallo, e quindi aumenta il numero di elettroni emessi. Ciò significa che maggiore è il flusso luminoso, maggiore è la fotocorrente di saturazione.

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

k - coefficiente di proporzionalità. La sensibilità dipende dalla natura del metallo. La sensibilità di un metallo all'effetto fotoelettrico aumenta con l'aumentare della frequenza della luce (al diminuire della lunghezza d'onda).

Questa formulazione della legge è tecnica. È valido per i dispositivi fotovoltaici sotto vuoto.

Il numero di elettroni emessi è direttamente proporzionale alla densità del flusso incidente con la sua composizione spettrale costante.

Seconda Legge (Legge di Einstein):

La massima energia cinetica iniziale di un fotoelettrone è proporzionale alla frequenza del flusso radiante incidente e non dipende dalla sua intensità.

E kē = => ~ hυ

Terza legge (legge del “confine rosso”):

Per ogni sostanza esiste una frequenza minima o lunghezza massima onda oltre la quale non c'è effetto fotoelettrico.

Questa frequenza (lunghezza d'onda) è chiamata “bordo rosso” dell'effetto fotoelettrico.

Pertanto, stabilisce le condizioni dell'effetto fotoelettrico per una data sostanza in base alla funzione di lavoro dell'elettrone della sostanza e all'energia dei fotoni incidenti.

Se l'energia del fotone è inferiore alla funzione lavoro dell'elettrone della sostanza, non vi è alcun effetto fotoelettrico. Se l'energia del fotone supera la funzione di lavoro, il suo eccesso dopo l'assorbimento del fotone va all'energia cinetica iniziale del fotoelettrone.

Usandolo per spiegare le leggi dell'effetto fotoelettrico.

L'equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico è un caso speciale della legge di conservazione e trasformazione dell'energia. Ha basato la sua teoria sulle leggi della fisica quantistica ancora nascente.

Einstein formulò tre proposizioni:

1. Quando esposti agli elettroni di una sostanza, i fotoni incidenti vengono completamente assorbiti.
2. Un fotone interagisce con un solo elettrone.
3. Un fotone assorbito contribuisce al rilascio di un solo fotoelettrone con un certo E kē.

L'energia del fotone viene spesa nella funzione lavoro (Aout) dell'elettrone dalla sostanza e nella sua energia cinetica iniziale, che sarà massima se l'elettrone lascia la superficie della sostanza.

E kē = hυ - A uscita

Maggiore è la frequenza della radiazione incidente, maggiore è l'energia dei fotoni e maggiore è l'energia cinetica iniziale dei fotoelettroni (meno la funzione lavoro).

Più intensa è la radiazione incidente, più fotoni entrano nel flusso luminoso e più elettroni possono fuoriuscire dalla sostanza e partecipare alla creazione di fotocorrente. Ecco perché l'intensità della fotocorrente di saturazione è proporzionale al flusso luminoso (I f us ~ F). Tuttavia, l'energia cinetica iniziale non dipende dall'intensità, perché Un elettrone assorbe l'energia di un solo fotone.

introduzione

1. Storia della scoperta dell'effetto fotoelettrico

2. Le leggi di Stoletov

3. Equazione di Einstein

4. Effetto fotoelettrico interno

5. Applicazione del fenomeno dell'effetto fotoelettrico

Bibliografia

introduzione

Numerosi fenomeni ottici sono stati spiegati in modo coerente sulla base di idee sulla natura ondulatoria della luce. Tuttavia, tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo. Sono stati scoperti e studiati fenomeni come l'effetto fotoelettrico, la radiazione dei raggi X, l'effetto Compton, la radiazione di atomi e molecole, la radiazione termica e altri, la cui spiegazione dal punto di vista ondulatorio si è rivelata impossibile. Una spiegazione dei nuovi fatti sperimentali è stata ottenuta sulla base di idee corpuscolari sulla natura della luce. Si è creata una situazione paradossale legata all'uso di modelli fisici di onde e particelle completamente opposti per spiegare i fenomeni ottici. In alcuni fenomeni la luce presenta proprietà ondulatorie, in altri proprietà corpuscolari.

Tra i vari fenomeni in cui si manifesta l'effetto della luce sulla materia, un posto importante è occupato da effetto fotoelettrico, cioè l'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'influenza della luce. L'analisi di questo fenomeno ha portato all'idea dei quanti di luce e ha svolto un ruolo estremamente importante nello sviluppo dei concetti teorici moderni. Allo stesso tempo, l'effetto fotoelettrico viene utilizzato nelle fotocellule, che hanno ricevuto un'applicazione estremamente ampia in un'ampia varietà di campi della scienza e della tecnologia e promettono prospettive ancora più ricche.

1. Storia della scoperta dell'effetto fotoelettrico

La scoperta dell'effetto fotoelettrico va attribuita al 1887, quando Hertz scoprì che illuminare gli elettrodi di uno spinterometro energizzato con luce ultravioletta facilita il passaggio di una scintilla tra di loro.

Il fenomeno scoperto da Hertz può essere osservato nel seguente esperimento facilmente realizzabile (Fig. 1).

La dimensione dello spinterometro F è selezionata in modo tale che in un circuito costituito da un trasformatore T e un condensatore C, la scintilla passa con difficoltà (una o due volte al minuto). Se si illuminano gli elettrodi F, di zinco puro, con la luce di una lampada al mercurio Hg, allora la scarica del condensatore è molto facilitata: inizia a scoccare una scintilla Fig. 1. Schema dell'esperimento di Hertz.

L'effetto fotoelettrico fu spiegato nel 1905 da Albert Einstein (per il quale ricevette il Premio Nobel nel 1921) basandosi sull'ipotesi di Max Planck sulla natura quantistica della luce. Il lavoro di Einstein conteneva una nuova importante ipotesi: se Planck suggeriva che la luce viene emessa solo in porzioni quantizzate, allora Einstein credeva già che la luce esiste solo sotto forma di porzioni quantistiche. Dall’idea della luce come particelle (fotoni), segue immediatamente la formula di Einstein per l’effetto fotoelettrico:

, è l'energia cinetica dell'elettrone emesso, è la funzione lavoro per una data sostanza, è la frequenza della luce incidente, è la costante di Planck, che risultò essere esattamente la stessa della formula di Planck per la radiazione del corpo nero.

Questa formula implica l'esistenza di un confine rosso dell'effetto fotoelettrico. Pertanto, la ricerca sull’effetto fotoelettrico è stata uno dei primissimi studi di meccanica quantistica.

2. Le leggi di Stoletov

Per la prima volta (1888–1890), analizzando in dettaglio il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, il fisico russo A.G. Stoletov ha ottenuto risultati di fondamentale importanza. A differenza dei ricercatori precedenti, ha preso in considerazione una piccola differenza di potenziale tra gli elettrodi. Lo schema dell'esperimento di Stoletov è mostrato in Fig. 2.

Alla batteria sono collegati due elettrodi (uno a forma di griglia, l'altro piatto), situati nel vuoto. Un amperometro collegato al circuito viene utilizzato per misurare la corrente risultante. Irradiando il catodo con luce di varie lunghezze d'onda, Stoletov giunse alla conclusione che i raggi ultravioletti avevano l'effetto più efficace. Inoltre, si è scoperto che la forza della corrente generata dalla luce è direttamente proporzionale alla sua intensità.

Nel 1898, Lenard e Thomson, utilizzando il metodo di deviazione delle cariche nei campi elettrici e magnetici, determinarono la carica specifica delle particelle cariche espulse dalla Fig. 2. Schema dell'esperimento di Stoletov.

luce dal catodo e ricevette l'espressione

unità SGSE s/g, che coincide con la carica specifica nota dell'elettrone. Da ciò ne consegue che sotto l'influenza della luce, gli elettroni venivano espulsi dalla sostanza catodica.

Riassumendo i risultati ottenuti si è stabilito quanto segue modelli fotoeffetto:

1. Con una composizione spettrale della luce costante, l'intensità della fotocorrente di saturazione è direttamente proporzionale al flusso luminoso incidente sul catodo.

2. L'energia cinetica iniziale degli elettroni espulsi dalla luce aumenta linearmente con l'aumentare della frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità.

3. L'effetto fotoelettrico non si verifica se la frequenza della luce è inferiore ad un certo valore caratteristico di ciascun metallo

, chiamato il bordo rosso.

La prima regolarità dell'effetto fotoelettrico, così come il verificarsi dell'effetto fotoelettrico stesso, possono essere facilmente spiegate sulla base delle leggi della fisica classica. Il campo luminoso, infatti, agendo sugli elettroni all'interno del metallo, ne eccita le vibrazioni. L'ampiezza delle oscillazioni forzate può raggiungere un valore tale al quale gli elettroni lasciano il metallo; quindi si osserva l'effetto fotoelettrico.

Poiché, secondo la teoria classica, l'intensità della luce è direttamente proporzionale al quadrato del vettore elettrico, il numero di elettroni emessi aumenta con l'aumentare dell'intensità della luce.

La seconda e la terza legge dell'effetto fotoelettrico non sono spiegate dalle leggi della fisica classica.

Studiando la dipendenza della fotocorrente (Fig. 3), che si verifica quando un metallo viene irradiato da un flusso di luce monocromatica, dalla differenza di potenziale tra gli elettrodi (questa dipendenza è solitamente chiamata caratteristica volt-ampere della fotocorrente), si è stato stabilito che: 1) la fotocorrente si verifica non solo quando

, ma anche con ; 2) la fotocorrente è diversa da zero ad una differenza di potenziale negativa strettamente definita per un dato metallo, il cosiddetto potenziale ritardante; 3) l'entità del potenziale di blocco (ritardante) non dipende dall'intensità della luce incidente; 4) la fotocorrente aumenta al diminuire del valore assoluto del potenziale ritardante; 5) l'entità della fotocorrente aumenta all'aumentare e da un certo valore la fotocorrente (la cosiddetta corrente di saturazione) diventa costante; 6) l'entità della corrente di saturazione aumenta con l'aumentare dell'intensità della luce incidente; 7) valore del ritardo Fig. 3. Caratteristiche

il potenziale dipende dalla frequenza della luce incidente; fotocorrente

8) la velocità degli elettroni espulsi sotto l'influenza della luce non dipende dall'intensità della luce, ma dipende solo dalla sua frequenza.

3. L'equazione di Einstein

Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico e tutte le sue leggi sono ben spiegate utilizzando la teoria quantistica della luce, che conferma la natura quantistica della luce.

Come già notato, Einstein (1905), sviluppando la teoria quantistica di Planck, avanzò l'idea che non solo la radiazione e l'assorbimento, ma anche la propagazione della luce avviene in porzioni (quanti), la cui energia e quantità di moto.

L'effetto fotoelettrico è il rilascio (totale o parziale) di elettroni dai legami con atomi e molecole di una sostanza sotto l'influenza della luce (visibile, infrarossa e ultravioletta). Se gli elettroni vanno oltre la sostanza illuminata ( completa liberazione), allora l'effetto fotoelettrico è chiamato esterno (scoperto nel 1887 da Hertz e studiato in dettaglio nel 1888 da L. G. Stoletov). Se gli elettroni perdono contatto solo con i “loro” atomi e molecole, ma rimangono all’interno della sostanza illuminata come “elettroni liberi” (rilascio parziale), aumentando così la conduttività elettrica della sostanza, allora l’effetto fotoelettrico è detto interno (scoperto nel 1873 da il fisico americano W. Smith).

L'effetto fotoelettrico esterno si osserva nei metalli. Se, ad esempio, viene illuminata una lastra di zinco collegata a un elettroscopio e caricata negativamente raggi ultravioletti, l'elettroscopio si scaricherà rapidamente; nel caso di una piastra caricata positivamente non si verifica alcuna scarica. Ne consegue che la luce estrae dal metallo le particelle caricate negativamente; la determinazione dell'entità della loro carica (eseguita nel 1898 da J. J. Thomson) ha mostrato che queste particelle sono elettroni.

Il circuito di misura base con cui è stato studiato l'effetto fotoelettrico esterno è mostrato in Fig. 368.

Il polo negativo della batteria è collegato alla piastra metallica K (catodo), il polo positivo è collegato all'elettrodo ausiliario A (anodo). Entrambi gli elettrodi sono posti in un recipiente sotto vuoto avente una finestra di quarzo F (trasparente alla radiazione ottica). Poiché il circuito elettrico è aperto, non c'è corrente al suo interno. Quando il catodo è illuminato, la luce estrae da esso gli elettroni (fotoelettroni), precipitandosi verso l'anodo; nel circuito appare una corrente (fotocorrente).

Il circuito permette di misurare l'intensità della fotocorrente (con un galvanometro e la velocità dei fotoelettroni a significati diversi tensione tra catodo e anodo e a condizioni diverse illuminazione catodica.

Gli studi sperimentali condotti da Stoletov, così come da altri scienziati, hanno portato alla definizione delle seguenti leggi fondamentali dell'effetto fotoelettrico esterno.

1. La fotocorrente di saturazione I (ovvero il numero massimo di elettroni rilasciati dalla luce in 1 s) è direttamente proporzionale al flusso luminoso F:

dove il coefficiente di proporzionalità è chiamato fotosensibilità della superficie illuminata (misurata in microampere per lumen, abbreviato in

2. La velocità dei fotoelettroni aumenta con l'aumentare della frequenza della luce incidente e non dipende dalla sua intensità.

3. Indipendentemente dall'intensità della luce, l'effetto fotoelettrico inizia solo ad una certa frequenza minima della luce (per un dato metallo), chiamata "limite rosso" dell'effetto fotoelettrico.

La seconda e la terza legge dell'effetto fotoelettrico non possono essere spiegate con la teoria ondulatoria della luce. Secondo questa teoria, infatti, l'intensità della luce è proporzionale al quadrato dell'ampiezza Onda elettromagnetica, "oscillando" l'elettrone nel metallo. Pertanto, la luce di qualsiasi frequenza, ma di intensità sufficientemente elevata, dovrebbe estrarre elettroni dal metallo; in altre parole, non dovrebbe esserci alcun “limite rosso” dell’effetto fotoelettrico. Questa conclusione contraddice la terza legge dell'effetto fotoelettrico. Inoltre, maggiore è l'intensità della luce, maggiore è l'energia cinetica che l'elettrone dovrebbe ricevere da essa. Pertanto, la velocità del fotoelettrone aumenterebbe all'aumentare dell'intensità della luce; questa conclusione contraddice la seconda legge dell'effetto fotoelettrico.

Le leggi dell'effetto fotoelettrico esterno ricevono una semplice interpretazione basata sulla teoria quantistica della luce. Secondo questa teoria, l’entità del flusso luminoso è determinata dal numero di quanti di luce (fotoni) incidenti per unità di tempo sulla superficie metallica. Ogni fotone può interagire con un solo elettrone. Ecco perché

il numero massimo di fotoelettroni deve essere proporzionale al flusso luminoso (prima legge dell'effetto fotoelettrico).

L'energia fotonica assorbita dall'elettrone viene spesa sull'elettrone che compie il lavoro di uscita A dal metallo (vedi § 87); il resto di questa energia è l'energia cinetica del fotoelettrone (massa dell'elettrone, sua velocità). Quindi, secondo la legge di conservazione dell'energia, possiamo scrivere

Questa formula, proposta nel 1905 da Einstein e poi confermata da numerosi esperimenti, è chiamata equazione di Einstein.

Dall'equazione di Einstein è direttamente chiaro che la velocità di un fotoelettrone aumenta con l'aumentare della frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità (poiché né dipende né dall'intensità della luce). Questa conclusione corrisponde alla seconda legge dell'effetto fotoelettrico.

Secondo la formula (26), al diminuire della frequenza della luce diminuisce l'energia cinetica dei fotoelettroni (il valore di A è costante per una data sostanza illuminata). Ad una frequenza (o lunghezza d'onda) sufficientemente bassa, l'energia cinetica del fotoelettrone diventerà zero e l'effetto fotoelettrico cesserà (terza legge dell'effetto fotoelettrico). Ciò si verifica quando, cioè, nel caso in cui tutta l'energia del fotone viene esaurita sull'esecuzione della funzione lavoro dell'elettrone

Le formule (27) determinano il “limite rosso” dell'effetto fotoelettrico. Da queste formule ne consegue che dipende dal valore della funzione lavoro (dal materiale del fotocatodo).

Nella tabella sono riportati i valori della funzione lavoro A (in elettronvolt) e il limite rosso dell'effetto fotoelettrico (in micrometri) per alcuni metalli.

(vedi scansione)

La tabella mostra che, ad esempio, un film di cesio depositato sul tungsteno fornisce un effetto fotoelettrico anche sotto l'irradiazione infrarossa, l'effetto fotoelettrico per il sodio può essere causato solo dalla luce visibile e ultravioletta e per lo zinco solo dall'ultravioletto;

Un importante dispositivo fisico e tecnico chiamato fotocellula a vuoto si basa sull'effetto fotoelettrico esterno (si tratta di una modifica dell'installazione schematicamente mostrata in Fig. 368).

Il catodo K della fotocellula del vuoto è uno strato di metallo depositato sulla superficie interna del contenitore di vetro sotto vuoto B (Fig. 369; G - galvanometro); l'anodo A è realizzato sotto forma di un anello metallico posto nella parte centrale del cilindro. Quando il catodo è illuminato, nel circuito della fotocellula si forma una corrente elettrica, la cui intensità è proporzionale all'entità del flusso luminoso.

La maggior parte delle celle solari moderne hanno catodi di antimonio-cesio o ossigeno-cesio, che hanno un'elevata fotosensibilità. Le fotocellule all'ossigeno al cesio sono sensibili agli infrarossi e luce visibile(sensibilità Le fotocellule antimonio-cesio sono sensibili alla luce visibile e ultravioletta (sensibilità

In alcuni casi, per aumentare la sensibilità della fotocellula, questa viene riempita con argon ad una pressione di circa 1 Pa. La fotocorrente in tale fotocellula viene potenziata a causa della ionizzazione dell'argon causata dalle collisioni dei fotoelettroni con gli atomi di argon. La fotosensibilità delle fotocellule a gas è di ca.

L'effetto fotoelettrico interno si osserva nei semiconduttori e, in misura minore, nei dielettrici. Lo schema per osservare l'effetto fotoelettrico interno è mostrato in Fig. 370. Una piastra semiconduttrice è collegata in serie ad un galvanometro ai poli di una batteria. La corrente in questo circuito è trascurabile perché il semiconduttore ha un'elevata resistenza. Tuttavia, quando la piastra è illuminata, la corrente nel circuito aumenta notevolmente. Ciò è dovuto al fatto che la luce rimuove gli elettroni dagli atomi del semiconduttore che, rimanendo all'interno del semiconduttore, ne aumentano la conduttività elettrica (riducono la resistenza).

Le celle fotovoltaiche basate sull'effetto fotoelettrico interno sono chiamate fotocellule a semiconduttore o fotoresistori. Per la loro produzione vengono utilizzati selenio, solfuro di piombo, solfuro di cadmio e alcuni altri semiconduttori. La fotosensibilità delle fotocellule a semiconduttore è centinaia di volte superiore alla fotosensibilità delle fotocellule a vuoto. Alcune fotocellule hanno una sensibilità spettrale distinta. Una fotocellula al selenio ha una sensibilità spettrale vicina alla sensibilità spettrale dell'occhio umano (vedi Fig. 304, § 118).

Lo svantaggio delle fotocellule a semiconduttore è la loro notevole inerzia: la variazione della fotocorrente è in ritardo rispetto alla variazione dell'illuminazione della fotocellula. Quindi semiconduttore

le fotocellule non sono adatte per registrare flussi luminosi che cambiano rapidamente.

Un altro tipo di fotocellula si basa sull'effetto fotoelettrico interno: una fotocellula a semiconduttore con uno strato barriera o una fotocellula a cancello. Lo schema di questa fotocellula è mostrato in Fig. 371.

Una piastra metallica e un sottile strato di semiconduttore depositato su di essa sono collegati da un cavo esterno circuito elettrico contenente un galvanometro Come è stato mostrato (vedi § 90), nella zona di contatto del semiconduttore con il metallo si forma uno strato bloccante B, che ha conduttività di gate: fa passare gli elettroni solo nella direzione dal semiconduttore al metallo. Quando uno strato semiconduttore è illuminato, in esso compaiono elettroni liberi a causa dell'effetto fotoelettrico interno. Passando (nel processo di movimento caotico) attraverso lo strato barriera nel metallo e non potendo muoversi nella direzione opposta, questi elettroni formano una carica negativa in eccesso nel metallo. Un semiconduttore, privato di alcuni dei “propri” elettroni, acquisisce una carica positiva. La differenza di potenziale (circa 0,1 V) che si crea tra il semiconduttore e il metallo crea una corrente nel circuito della fotocellula.

Quindi una fotocellula a valvola è un generatore di corrente che converte direttamente l'energia luminosa in energia elettrica.

Selenio, ossido rameoso, solfuro di tallio, germanio e silicio vengono utilizzati come semiconduttori in una fotocellula a valvola. La fotosensibilità delle fotocellule a valvola è

L'efficienza delle moderne celle solari al silicio (illuminate luce del sole) raggiunge secondo i calcoli teorici, può essere aumentato al 22%.

Poiché la fotocorrente è proporzionale al flusso luminoso, le fotocellule vengono utilizzate come dispositivi fotometrici. Tali dispositivi includono, ad esempio, un luxmetro (esposimetro) e un esposimetro fotoelettrico.

La fotocellula consente di convertire le fluttuazioni del flusso luminoso in corrispondenti fluttuazioni della fotocorrente, che è ampiamente utilizzata nella tecnologia del cinema sonoro, in televisione, ecc.

L'importanza delle fotocellule per la telemeccanizzazione e l'automazione è estremamente elevata processi di produzione. In combinazione con un amplificatore elettronico e un relè, la fotocellula è parte integrante di dispositivi automatici che, in risposta a segnali luminosi, controllano il funzionamento di vari impianti industriali e agricoli e meccanismi di trasporto.

L'uso pratico delle fotocellule a valvola come generatori di elettricità è molto promettente. Le batterie di fotocellule al silicio, chiamate celle solari, vengono utilizzate con successo sui satelliti spaziali e sulle navi sovietiche per alimentare apparecchiature radio. Per questo area totale le fotocellule devono essere sufficientemente grandi. Ad esempio, su navicella spaziale Soyuz-3, la superficie dei pannelli solari era di circa

Quando l'efficienza dei pannelli solari verrà aumentata al 20-22%, diventeranno senza dubbio di fondamentale importanza tra le fonti che generano elettricità per le esigenze industriali e domestiche.

Ha avanzato un'ipotesi: la luce viene emessa e assorbita in porzioni separate: quanti (o fotoni). L'energia di ciascun fotone è determinata dalla formula E= h ν , Dove H - Costante di Planck pari a 6,63. 10 -34 J. s, ν - frequenza della luce. L'ipotesi di Planck spiegava molti fenomeni: in particolare il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, scoperto nel 1887 dallo scienziato tedesco Heinrich Hertz e studiato sperimentalmente dallo scienziato russo A.G. Stoletov.

Effetto foto — Questo è il fenomeno dell'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'influenza della luce.

Come risultato della ricerca, sono state stabilite tre leggi dell'effetto fotoelettrico:

1. L'intensità della corrente di saturazione è direttamente proporzionale all'intensità della radiazione luminosa incidente sulla superficie del corpo.

2. L'energia cinetica massima dei fotoelettroni aumenta linearmente con la frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità.

3. Se la frequenza della luce è inferiore ad una certa frequenza minima determinata per una determinata sostanza, l'effetto fotoelettrico non si verifica.

La dipendenza della fotocorrente dalla tensione è mostrata nella Figura 36.

La teoria dell'effetto fotoelettrico è stata creata dallo scienziato tedesco A. Einstein nel 1905. La teoria di Einstein si basa sul concetto della funzione di lavoro degli elettroni di un metallo e sul concetto di radiazione quantistica della luce. Secondo la teoria di Einstein l'effetto fotoelettrico ha la seguente spiegazione: assorbendo un quanto di luce, un elettrone acquista energia hv. Quando si lascia il metallo, l'energia di ciascun elettrone diminuisce di una certa quantità, chiamata funzione di lavoro(Ah fuori). La funzione lavoro è il lavoro necessario per rimuovere un elettrone da un metallo. L'energia massima degli elettroni dopo la partenza (se non ci sono altre perdite) ha la forma: mv 2 /2 = alta tensione - uscita A, Questa equazione è chiamata equazione di Einstein .

Se ciao< Ma l'effetto fotoelettrico non si verifica. Significa, bordo rosso effetto foto uguale a νmin = Una produzione /h

Vengono chiamati dispositivi il cui principio di funzionamento si basa sul fenomeno dell'effetto fotoelettrico elementi fotografici. Il dispositivo più semplice è una fotocellula a vuoto. Gli svantaggi di tale fotocellula sono: bassa corrente, bassa sensibilità alle radiazioni a onde lunghe, difficoltà di fabbricazione, impossibilità di utilizzo in circuiti a corrente alternata. Viene utilizzato in fotometria per misurare l'intensità luminosa, la luminosità, l'illuminazione, nel cinema per la riproduzione del suono, nei fototelegrafi e nei fotofoni, nel controllo dei processi produttivi.

Esistono fotocellule a semiconduttore in cui, sotto l'influenza della luce, cambia la concentrazione dei portatori di corrente. Vengono utilizzate nel controllo automatico dei circuiti elettrici (ad esempio nei tornelli della metropolitana), nei circuiti a corrente alternata e come corrente non rinnovabile. si stanno testando fonti negli orologi, nei microcalcolatori, nelle prime automobili solari e vengono utilizzate nelle batterie solari sui satelliti terrestri artificiali, sulle stazioni automatiche interplanetarie e orbitali.

Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico è associato ai processi fotochimici che avvengono sotto l'influenza della luce nei materiali fotografici.