Makss Planks

Gaismas kvantu īpašības

1900. gadā vācu fiziķis Makss Planks izvirzīja hipotēzi: gaisma tiek izstarota un absorbēta nevis nepārtraukti, bet atsevišķās porcijās - kvanti(vai fotoni). Enerģija E katru fotonu nosaka formula E = hv , Kur h - proporcionalitātes koeficients - Planka konstante, v - gaismas frekvence. Mēs aprēķinājām eksperimentāli h= 6,63·10 -34 J·s. M. Planka hipotēze izskaidroja daudzas parādības, proti, fenomenu fotoelektriskais efekts, ko 1887. gadā atklāja vācu zinātnieks G. Hercs. Tālāk fotoefekts eksperimentāli pētīja krievu zinātnieks Stoletovs.

Fotoelektriskais efekts un tā likumi

Stoletova eksperimenta shēma

Fotoelektriskais efekts ir elektronu izmešana no vielas gaismas ietekmē.
Pētījuma rezultātā tika konstatēts 3 fotoelektriskā efekta likumi:
1. Piesātinājuma fotostrāva ir tieši proporcionāla krītošajai gaismas plūsmai.
2. Maksimums kinētiskā enerģija fotoelektronu skaits lineāri palielinās līdz ar gaismas frekvenci un ir atkarīgs no tās intensitātes.
3. Katrai vielai ir maksimālais garums vilnis, pie kura joprojām tiek novērots fotoelektriskais efekts. Lielos garumos nav fotoelektriska efekta.

Fotoelektriskā efekta teoriju 1905. gadā izveidoja vācu zinātnieks A. Einšteins. Einšteina teorijas pamatā ir jēdziens par elektronu darba funkciju no metāla un gaismas kvantu starojuma jēdziens. Saskaņā ar Einšteina teoriju fotoelektriskajam efektam ir šāds skaidrojums: absorbējot gaismas kvantu, elektrons iegūst enerģiju. Izejot no metāla, katra elektrona enerģija samazinās par noteiktu daudzumu, ko sauc par darba funkciju ( Avakh) . Darba funkcija ir minimālā enerģija, kas jāpiešķir elektronam, lai tas atstātu metālu. Tas ir atkarīgs no metāla veida un tā virsmas stāvokļa. Maksimālajai elektronu enerģijai pēc aiziešanas (ja nav citu zudumu) ir forma :

— Šis ir Einšteina vienādojums.

Ja h v< Avakh , tad fotoelektriskais efekts nenotiek. Ierobežot frekvenci v min un ierobežojošs viļņa garums λ maks sauca sarkana foto efekta apmale. Tas ir izteikts šādi: v min =A/h , λ max = λ cr = hc/A, kur λ max (λ cr) ir maksimālais viļņa garums, pie kura joprojām tiek novērots fotoelektriskais efekts. Sarkana fotoattēla efekta apmale dažādas vielas atšķirīgs, jo A atkarīgs no vielas veida.

Fotoelektriskā efekta pielietojums tehnoloģijā.
Ierīces, kuru pamatā ir fotoelektriskais efekts, sauc par fotoelementiem. Vienkāršākā šāda ierīce ir vakuuma fotoelements. Šādas fotoelementa trūkumi ir: zema strāva, zema jutība pret garo viļņu starojumu, ražošanas grūtības un nespēja izmantot maiņstrāvas ķēdēs. To izmanto fotometrijā gaismas intensitātes, spilgtuma, apgaismojuma mērīšanai, kinoteātrī skaņas reproducēšanai, fototelegrāfos un fotofonos, ražošanas procesu kontrolē.

Ir pusvadītāju fotoelementi, kuros gaismas ietekmē mainās strāvas nesēju koncentrācija. Fotorezistoru dizains ir balstīts uz šo fenomenu (iekšējais fotoelektriskais efekts). Tos izmanto elektrisko ķēžu automātiskai vadībai (piemēram, metro turniketos), maiņstrāvas ķēdēs, pulksteņos un mikrokalkulatoros. Pusvadītāju fotoelementi tiek izmantoti kosmosa kuģu saules paneļos un agrīnās automašīnās.

Ārējā fotoelektriskā efekta likumi

Līdzās termiskajam starojumam klasiskās fizikas ietvaros neietilpst parādība ir fotoelektriskais efekts.

Ārējais fotoelektriskais efekts ir elektronu emisijas parādība no vielas, ko apstaro elektromagnētiskie viļņi.

Fotoelektrisko efektu Hercs atklāja 1887. gadā. Viņš pamanīja, ka dzirkstele starp cinka bumbiņām tiek atvieglota, ja starpdzirksteļu spraugu apstaroja ar gaismu. Ārējā fotoelektriskā efekta likumu eksperimentāli pētīja Stoletovs 1888. gadā. Fotoelektriskā efekta izpētes diagramma parādīta 1. att.

1. att.

Katods un anods atrodas vakuuma caurulē, jo nenozīmīgs metāla virsmas piesārņojums ietekmē elektronu emisiju. Katods tiek izgaismots ar monohromatisku gaismu caur kvarca logu (kvarcs, atšķirībā no parastā stikla, laiž cauri ultravioleto gaismu). Spriegumu starp anodu un katodu regulē ar potenciometru un mēra ar voltmetru. Divas baterijas, kas savienotas viena pret otru, ļauj mainīt sprieguma vērtību un zīmi, izmantojot potenciometru. Fotostrāvas stiprumu mēra ar galvanometru.

2. att. līknes, kas parāda fotostrāvas stipruma atkarību no sprieguma, kas atbilst dažādam katoda apgaismojumam un (). Gaismas frekvence abos gadījumos ir vienāda.

kur un ir elektrona lādiņš un masa.

Palielinoties spriegumam, palielinās fotostrāva, jo viss lielāks skaits fotoelektroni sasniedz anodu. Fotostrāvas maksimālo vērtību sauc par piesātinājuma fotostrāvu. Tas atbilst sprieguma vērtībām, pie kurām visi elektroni, kas izstumti no katoda, sasniedz anodu: , kur ir no katoda emitēto fotoelektronu skaits 1 sekundē.

Stoletovs eksperimentāli noteica šādus fotoelektriskā efekta likumus:

Nopietnas grūtības radās izskaidrojot otro un trešo likumu. Saskaņā ar elektromagnētiskā teorija, brīvo elektronu izmešanai no metāla vajadzētu būt to “šūpošanās” rezultātā viļņa elektriskajā laukā. Tad nav skaidrs, kāpēc maksimālais ātrums emitēto elektronu daudzums ir atkarīgs no gaismas frekvences, nevis no elektriskā lauka intensitātes vektora svārstību amplitūdas un ar to saistītās viļņu intensitātes. Grūtības interpretēt fotoelektriskā efekta otro un trešo likumu ir radījušas šaubas par gaismas viļņu teorijas universālo pielietojamību.

Einšteina vienādojums fotoelektriskajam efektam

1905. gadā Einšteins izskaidroja fotoelektriskā efekta likumus, izmantojot savu ierosināto kvantu teoriju. Gaismu ne tikai izstaro frekvence, kā pieņēmis Planks, bet arī matērija to absorbē noteiktās daļās (kvantos). Gaisma ir diskrētu gaismas kvantu (fotonu) plūsma, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu. Kvantu enerģija ir vienāda ar . Katru kvantu absorbē tikai viens elektrons. Tāpēc izmesto elektronu skaitam jābūt proporcionālam gaismas intensitātei (fotoelektriskā efekta 1. likums).

Krītošā fotona enerģija tiek tērēta elektronam, kas veic darbu, pametot metālu, un kinētiskās enerģijas piešķiršanai izstarotajam fotoelektronam:

(2)

Vienādojumu (2) sauc par Einšteina vienādojumu ārējam fotoelektriskajam efektam. Einšteina vienādojums izskaidro fotoelektriskā efekta otro un trešo likumu. No (2) vienādojuma tieši izriet, ka maksimālā kinētiskā enerģija palielinās, palielinoties krītošās gaismas frekvencei. Samazinoties frekvencei, kinētiskā enerģija samazinās un noteiktā frekvencē kļūst vienāda ar nulli un fotoelektriskais efekts apstājas (). No šejienes

kur ir absorbēto fotonu skaits.

Šajā gadījumā fotoelektriskā efekta sarkanā robeža novirzās uz zemākām frekvencēm:

.

(5)

Papildus ārējam fotoelektriskajam efektam ir zināms arī iekšējais fotoefekts. Apstarojot cietos un šķidros pusvadītājus un dielektriķus, elektroni no saistītā stāvokļa pāriet brīvā stāvoklī, bet neizlido. Brīvo elektronu klātbūtne izraisa fotovadītspēju. Fotovadītspēja ir vielas elektriskās vadītspējas palielināšanās gaismas ietekmē.

Fotons un tā īpašības

Interferences, difrakcijas un polarizācijas parādības var izskaidrot tikai ar gaismas viļņu īpašībām. Tomēr fotoelektriskais efekts un termiskais starojums ir tikai korpuskulāri (uzskatot gaismu par fotonu plūsmu). Gaismas īpašību viļņu un kvantu apraksti papildina viens otru. Gaisma ir gan vilnis, gan daļiņa. Pamatvienādojumi, kas nosaka saikni starp viļņu un korpuskulārajām īpašībām, ir šādi:

(7)

Un ir lielumi, kas raksturo daļiņu, un ir vilnis.

Mēs atrodam fotonu masu no attiecības (6): .

Fotons ir daļiņa, kas vienmēr kustas ar gaismas ātrumu un kuras miera masa ir nulle. Fotona impulss ir vienāds ar: .

Komptona efekts

Vispilnīgākās korpuskulārās īpašības izpaužas Komptona efektā. 1923. gadā amerikāņu fiziķis Komptons pētīja rentgenstaru izkliedi ar parafīnu, kura atomi ir viegli.

No viļņu viedokļa rentgenstaru izkliede ir saistīta ar vielas elektronu piespiedu vibrācijām, tāpēc izkliedētās gaismas frekvencei jāsakrīt ar krītošās gaismas frekvenci. Tomēr izkliedētajā gaismā tas atklājās garš garums viļņi nav atkarīgs no izkliedēto rentgenstaru viļņa garuma un no izkliedējošās vielas materiāla, bet ir atkarīgs no izkliedes virziena. Ļaujiet būt leņķim starp primārā stara virzienu un izkliedētās gaismas virzienu , kur (m).

Šis likums attiecas uz gaismas atomiem ( , , , ), kuru elektroni ir vāji saistīti ar kodolu. Izkliedes process skaidrojams ar fotonu elastīgo sadursmi ar elektroniem. Ja tiek pakļauti rentgena stariem, elektroni viegli atdalās no atoma. Tāpēc var apsvērt brīvo elektronu izkliedi. Fotons ar impulsu saduras ar stacionāru elektronu un dod tam daļu enerģijas, un pats iegūst impulsu (3. att.).

3. att.

Izmantojot enerģijas un impulsa nezūdamības likumus absolūti elastīgam triecienam, mēs iegūstam šādu izteiksmi: , kas sakrīt ar eksperimentālo, kamēr , kas pierāda gaismas korpuskulāro teoriju.

Luminiscence, fotoluminiscence un tās pamatprincipi

Luminiscence ir nelīdzsvarots starojums, kas noteiktā temperatūrā pārsniedz termisko starojumu. Luminiscence notiek ārējās ietekmes ietekmē, ko neizraisa ķermeņa sasilšana. Tas ir auksts spīdums. Atkarībā no ierosināšanas metodes tos izšķir: fotoluminiscence (gaismas ietekmē), hemiluminiscence (zem ķīmiskās reakcijas), katodoluminiscence (ātro elektronu ietekmē) un elektroluminiscence (elektriskā lauka ietekmē).

Luminiscences apstāšanās tūlīt(-es) pēc pazušanas ārējā ietekme, sauc par fluorescenci. Ja luminiscence pazūd s laikā pēc ekspozīcijas beigām, tad to sauc par fosforescenci.

Vielas, kas luminiscē, sauc par fosforiem. Tajos ietilpst urāna savienojumi, retzemju metāli, kā arī konjugētas sistēmas, kurās mainās saites, aromātiskie savienojumi: fluoresceīns, benzols, naftalīns, antracēns.

Fotoluminiscence pakļaujas Stoksa likumam: aizraujošās gaismas frekvence ir lielāka nekā izstarotā frekvence , kur ir absorbētās enerģijas daļa, kas pārvēršas siltumā.

Luminiscences galvenā īpašība ir kvantu iznākums, kas vienāds ar absorbēto kvantu skaita attiecību pret emitēto kvantu skaitu. Ir vielas, kuru kvantu iznākums ir tuvu 1 (piemēram, fluoresceīns). Antracēna kvantu iznākums ir 0,27.

Luminiscences fenomens ir saņēmis plašs pielietojums praksē. Piemēram, luminiscences analīze ir metode vielas sastāva noteikšanai pēc tai raksturīgā mirdzuma. Metode ir ļoti jutīga (aptuveni ), lai noteiktu nelielu piemaisījumu daudzumu, un to izmanto precīziem pētījumiem ķīmijas, bioloģijas, medicīnas un pārtikas rūpniecības jomās.

Luminiscences defektu noteikšana ļauj atklāt vissmalkākās plaisas uz mašīnu detaļu virsmas (pārbaudāmā virsma ir pārklāta ar luminiscējošu šķīdumu, kas pēc noņemšanas paliek plaisās).

Fosfori tiek izmantoti dienasgaismas spuldzes, ir optisko kvantu ģeneratoru aktīvā vide un tiek izmantoti elektronu optiskajos pārveidotājos. Izmanto dažādu ierīču gaismas indikatoru izgatavošanai.

Fiziskie principi nakts redzamības ierīces

Ierīces pamatā ir elektronoptiskais pārveidotājs (EOC), kas objekta attēlu acij neredzamos IR staros pārvērš redzamā attēlā (4. att.).

4. att.

1 – fotokatods, 2 – elektronu lēca, 3 – luminiscējošais ekrāns,

Infrasarkanais starojums no objekta rada fotoelektronu emisiju no fotokatoda virsmas, un emisijas apjoms no dažādām tā daļām mainās atbilstoši uz to projicētā attēla spilgtuma sadalījumam. Fotoelektroni paātrina elektriskais lauks zonā starp fotokatodu un ekrānu, tiek fokusēti ar elektronu lēcu un bombardē ekrānu, izraisot tā luminiscēšanu. Atsevišķu ekrāna punktu mirdzuma intensitāte ir atkarīga no fotoelektronu plūsmas blīvuma, kā rezultātā ekrānā parādās redzams objekta attēls.

Fotoelektriskais efekts ir elektronu (pilnīga vai daļēja) atbrīvošanās no saitēm ar vielas atomiem un molekulām gaismas (redzamās, infrasarkanās un ultravioletās) ietekmē. Ja elektroni pārsniedz apgaismoto vielu ( pilnīga atbrīvošanās), tad fotoelektrisko efektu sauc par ārējo (1887. gadā to atklāja Hercs un 1888. gadā detalizēti pētīja L. G. Stoletovs). Ja elektroni zaudē kontaktu tikai ar “saviem” atomiem un molekulām, bet paliek apgaismotās vielas iekšpusē kā “brīvie elektroni” (daļēja atbrīvošanās), tādējādi palielinot vielas elektrisko vadītspēju, tad fotoelektrisko efektu sauc par iekšējo (atklāja 1873. amerikāņu fiziķis V. Smits).

Ārējais fotoelektriskais efekts tiek novērots metālos. Ja, piemēram, ar elektroskopu savienota un negatīvi lādēta cinka plāksne tiek apgaismota ar ultravioletajiem stariem, elektroskops ātri izlādēsies; pozitīvi lādētas plāksnes gadījumā izlāde nenotiek. No tā izriet, ka gaisma izvelk negatīvi lādētas daļiņas no metāla; to lādiņa lieluma noteikšana (1898. gadā to veica J. J. Tomsons) parādīja, ka šīs daļiņas ir elektroni.

Shematiska mērīšanas ķēde, ar kuru tika veikts pētījums ārējais fotoelektriskais efekts, parādīts attēlā. 368.

Akumulatora negatīvais pols ir savienots ar metāla plāksni K (katods), pozitīvais pols ir savienots ar palīgelektrodu A (anodu). Abi elektrodi ir ievietoti evakuētā traukā ar kvarca logu F (caurspīdīgs optiskajam starojumam). Tā kā elektriskā ķēde ir atvērta, tajā nav strāvas. Kad katods ir izgaismots, gaisma izvelk no tā elektronus (fotoelektronus), kas steidzas uz anodu; ķēdē parādās strāva (fotostrāva).

Ķēde ļauj izmērīt fotostrāvas stiprumu (ar galvanometru un fotoelektronu ātrumu pie dažādas nozīmes spriegums starp katodu un anodu un pie dažādi apstākļi katoda apgaismojums.

Stoletova, kā arī citu zinātnieku veiktie eksperimentālie pētījumi ļāva izveidot šādus ārējā fotoelektriskā efekta pamatlikumus.

1. Piesātinājuma fotostrāva I (t.i., maksimālais elektronu skaits, ko gaisma izdala 1 s) ir tieši proporcionāla gaismas plūsmai F:

kur proporcionalitātes koeficientu sauc par apgaismotās virsmas fotosensitivitāti (mēra mikroampēros uz lūmenu, saīsināti kā

2. Fotoelektronu ātrums palielinās, palielinoties krītošās gaismas frekvencei un nav atkarīgs no tā intensitātes.

3. Neatkarīgi no gaismas intensitātes fotoelektriskais efekts sākas tikai pie noteiktas (kontam metālam) minimālās gaismas frekvences, ko sauc par fotoelektriskā efekta “sarkano robežu”.

Otro un trešo fotoelektriskā efekta likumu nevar izskaidrot, pamatojoties uz gaismas viļņu teoriju. Patiešām, saskaņā ar šo teoriju, gaismas intensitāte ir proporcionāla amplitūdas kvadrātam elektromagnētiskais vilnis, “šūpojot” elektronu metālā. Tāpēc jebkuras frekvences, bet pietiekami augstas intensitātes gaismai būtu jāizvelk elektroni no metāla; citiem vārdiem sakot, fotoelektriskajam efektam nevajadzētu būt “sarkanajam ierobežojumam”. Šis secinājums ir pretrunā ar trešo fotoelektriskā efekta likumu. Turklāt, jo lielāka ir gaismas intensitāte, jo lielāka kinētiskā enerģija elektronam no tā jāsaņem. Tāpēc fotoelektrona ātrums palielinātos, palielinoties gaismas intensitātei; šis secinājums ir pretrunā ar otro fotoelektriskā efekta likumu.

Ārējā fotoelektriskā efekta likumi saņem vienkāršu interpretāciju, pamatojoties uz gaismas kvantu teoriju. Saskaņā ar šo teoriju gaismas plūsmas lielumu nosaka gaismas kvantu (fotonu) skaits, kas laika vienībā krīt uz metāla virsmas. Katrs fotons var mijiedarboties tikai ar vienu elektronu. Tieši tāpēc

maksimālajam fotoelektronu skaitam jābūt proporcionālam gaismas plūsmai (pirmais fotoelektriskā efekta likums).

Elektrona absorbētā fotona enerģija tiek iztērēta elektronam, kas veic A izejas darbu no metāla (sk. § 87); pārējā šīs enerģijas daļa ir fotoelektrona kinētiskā enerģija (elektrona masa, tā ātrums). Tad saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu mēs varam rakstīt

Šo formulu, ko 1905. gadā ierosināja Einšteins un pēc tam apstiprināja daudzi eksperimenti, sauc par Einšteina vienādojumu.

No Einšteina vienādojuma ir tieši skaidrs, ka fotoelektrona ātrums palielinās, palielinoties gaismas frekvencei, un tas nav atkarīgs no tā intensitātes (jo nav nedz atkarīgs no gaismas intensitātes). Šis secinājums atbilst otrajam fotoelektriskā efekta likumam.

Saskaņā ar (26) formulu, samazinoties gaismas frekvencei, fotoelektronu kinētiskā enerģija samazinās (A vērtība ir nemainīga konkrētai apgaismotai vielai). Pie kādas pietiekami zemas frekvences (vai viļņa garuma) fotoelektrona kinētiskā enerģija kļūs par nulli un fotoelektriskais efekts beigsies (trešais fotoelektriskā efekta likums tas notiek, kad, t.i., visa fotona enerģija ir iztērēta). par elektrona darba funkcijas izpildi Tad

Formulas (27) nosaka fotoelektriskā efekta “sarkano robežu”. No šīm formulām izriet, ka tas ir atkarīgs no darba funkcijas vērtības (no fotokatoda materiāla).

Tabulā parādītas darba funkcijas A vērtības (elektronvoltos) un fotoelektriskā efekta sarkanās robežas (mikrometros) dažiem metāliem.

(skatīt skenēšanu)

Tabulā redzams, ka, piemēram, uz volframa nogulsnēta cēzija plēve dod fotoelektrisku efektu pat infrasarkanā starojuma apstākļos, fotoelektrisko efektu var izraisīt tikai redzams un ultravioletā gaisma, un cinkam - tikai ultravioletais.

Svarīga fiziska un tehniska ierīce, ko sauc par vakuuma fotoelementu, ir balstīta uz ārējo fotoelektrisko efektu (tā ir kāda instalācijas modifikācija, kas shematiski parādīta 368. attēlā).

Vakuuma fotoelementa katods K ir metāla slānis, kas nogulsnēts uz evakuētā stikla trauka B iekšējās virsmas (369. att.; G - galvanometrs); anods A ir izgatavots metāla gredzena veidā, kas novietots cilindra centrālajā daļā. Kad katods ir izgaismots fotoelementu ķēdē, elektriskā strāva, kuras stiprums ir proporcionāls gaismas plūsmas lielumam.

Lielākajai daļai mūsdienu saules bateriju ir antimona-cēzija vai skābekļa-cēzija katodi, kuriem ir augsta gaismas jutība. Cēzija skābekļa fotoelementi ir jutīgi pret infrasarkano un redzamā gaisma(jutības antimona-cēzija fotoelementi ir jutīgi pret redzamo un ultravioleto gaismu (jutība

Dažos gadījumos, lai palielinātu fotoelementa jutību, to piepilda ar argonu ar spiedienu aptuveni 1 Pa. Fotostrāva šādā fotoelementā ir pastiprināta argona jonizācijas dēļ, ko izraisa fotoelektronu sadursmes ar argona atomiem. Ar gāzi pildītu fotoelementu fotosensitivitāte ir apm.

Iekšējais fotoelektriskais efekts tiek novērots pusvadītājos un mazākā mērā dielektriķos. Iekšējā fotoelektriskā efekta novērošanas shēma ir parādīta attēlā. 370. Ar baterijas poliem virknē savienota pusvadītāju plāksne ar galvanometru. Strāva šajā ķēdē ir niecīga, jo pusvadītājam ir liela pretestība. Tomēr, kad plāksne ir apgaismota, strāva ķēdē strauji palielinās. Tas ir saistīts ar faktu, ka gaisma no pusvadītāja atomiem atdala elektronus, kas, paliekot pusvadītāja iekšpusē, palielina tā elektrisko vadītspēju (samazina pretestību).

Fotoelementus, kuru pamatā ir iekšējais fotoelektriskais efekts, sauc par pusvadītāju fotoelementiem vai fotorezistoriem. To ražošanā tiek izmantots selēns, svina sulfīds, kadmija sulfīds un daži citi pusvadītāji. Pusvadītāju fotoelementu fotosensitivitāte ir simtiem reižu lielāka nekā vakuuma fotoelementu fotosensitivitāte. Dažām fotoelementiem ir atšķirīga spektrālā jutība. Selēna fotoelementa spektrālā jutība ir tuvu cilvēka acs spektrālajai jutībai (sk. 304. att., 118. §).

Pusvadītāju fotoelementu trūkums ir to ievērojamā inerce: fotostrāvas izmaiņas atpaliek no fotoelementa apgaismojuma izmaiņām. Tāpēc pusvadītājs

fotoelementi nav piemēroti strauji mainīgu gaismas plūsmu reģistrēšanai.

Cits fotoelementu veids ir balstīts uz iekšējo fotoelektrisko efektu - pusvadītāju fotoelementu ar barjeras slāni vai vārtu fotoelementu. Šī fotoelementa diagramma ir parādīta attēlā. 371.

Metāla plāksne un uz tās uzklāts plāns pusvadītāja slānis ir savienots ar ārēju elektrisko ķēdi, kas satur galvanometru Kā tika parādīts (sk. § 90), pusvadītāja saskares zonā ar metālu veidojas bloķējošs slānis B. kam ir vārtu vadītspēja: tas ļauj elektroniem iziet tikai virzienā no pusvadītāja uz metālu. Apgaismojot pusvadītāju slāni, iekšējā fotoelektriskā efekta dēļ tajā parādās brīvie elektroni. Izejot (haotiskas kustības procesā) caur barjeras slāni metālā un nespējot kustēties pretējā virzienā, šie elektroni veido metālā lieko negatīvo lādiņu. Pusvadītājs, kuram ir atņemti daži no saviem "saviem" elektroniem, iegūst pozitīvu lādiņu. Potenciālu starpība (apmēram 0,1 V), kas rodas starp pusvadītāju un metālu, rada strāvu fotoelementu ķēdē.

Tādējādi vārsta fotoelements ir strāvas ģenerators, kas tieši pārvērš gaismas enerģiju elektroenerģijā.

Selēns, vara oksīds, tallija sulfīds, germānija un silīcijs tiek izmantoti kā pusvadītāji vārsta fotoelementā. Vārstu fotoelementu fotosensitivitāte ir

Koeficients noderīga darbība modernas silīcija saules baterijas (izgaismotas saules gaisma) sasniedz pēc teorētiskiem aprēķiniem, to var palielināt līdz 22%.

Tā kā fotostrāva ir proporcionāla gaismas plūsmai, fotoelementus izmanto kā fotometriskas ierīces. Šādas ierīces ietver, piemēram, luksmetru (gaismas mērītāju) un fotoelektrisko ekspozīcijas mērītāju.

Fotoelements ļauj pārveidot gaismas plūsmas svārstības atbilstošās fotostrāvas svārstībās, ko plaši izmanto skaņu filmu tehnoloģijā, televīzijā u.c.

Fotoelementu nozīme telemehanizācijā un automatizācijā ir ārkārtīgi liela ražošanas procesiem. Kombinācijā ar elektronisko pastiprinātāju un releju fotoelements ir neatņemama automātisko ierīču sastāvdaļa, kas, reaģējot uz gaismas signāliem, kontrolē dažādu rūpniecības un lauksaimniecības iekārtu un transporta mehānismu darbību.

Vārstu fotoelementu praktiskā izmantošana kā elektroenerģijas ģeneratori ir ļoti daudzsološa. Silīcija fotoelementu baterijas, sauktas saules paneļi, tiek veiksmīgi izmantoti padomju kosmosa satelītos un kuģos, lai darbinātu radioiekārtas. Šim nolūkam kopējā platība fotoelementiem jābūt pietiekami lieliem. Piemēram, kosmosa kuģī Sojuz-3 saules paneļu virsmas laukums bija aptuveni

Palielinot saules paneļu efektivitāti līdz 20-22%, tie neapšaubāmi kļūs par īpaši svarīgu starp avotiem, kas ražo elektroenerģiju rūpnieciskām un sadzīves vajadzībām.

1. Fotoelektriskā efekta atklāšanas vēsture

2. Stoletova likumi

3. Einšteina vienādojums

4. Iekšējais fotoelektriskais efekts

5. Fotoelektriskā efekta fenomena pielietojums

Ievads

Daudzas optiskās parādības tika konsekventi izskaidrotas, pamatojoties uz idejām par gaismas viļņu raksturu. Taču 19. gadsimta beigās – 20. gadsimta sākumā. Tika atklātas un pētītas tādas parādības kā fotoelektriskais efekts, rentgena starojums, Komptona efekts, atomu un molekulu starojums, termiskais starojums un citas, kuru izskaidrojums no viļņu viedokļa izrādījās neiespējams. Jauno eksperimentālo faktu skaidrojums tika iegūts, pamatojoties uz korpuskulāriem priekšstatiem par gaismas dabu. Ir izveidojusies paradoksāla situācija, kas saistīta ar pilnīgi pretēju izmantošanu fiziskie modeļi viļņi un daļiņas, lai izskaidrotu optiskās parādības. Dažās parādībās gaismai bija viļņu īpašības, citās - korpuskulāras īpašības.

Starp dažādajām parādībām, kurās izpaužas gaismas ietekme uz matēriju, nozīmīgu vietu ieņem fotoelektriskais efekts, tas ir, vielas elektronu emisija gaismas ietekmē. Šīs parādības analīze noveda pie idejas par gaismas kvantiem, un tai bija ārkārtīgi svarīga loma mūsdienu teorētisko koncepciju attīstībā. Tajā pašā laikā fotoelektriskais efekts tiek izmantots fotoelementos, kas ir saņēmuši ārkārtīgi plašu pielietojumu visdažādākajās zinātnes un tehnoloģiju jomās un sola vēl bagātākas perspektīvas.

Fotoelektriskā efekta atklāšanas vēsture

Fotoelektriskā efekta atklāšana ir attiecināma uz 1887. gadu, kad Hercs atklāja, ka spriegumaktīvas dzirksteles spraugas elektrodu apgaismošana ar ultravioleto gaismu atvieglo dzirksteles pāreju starp tiem.

Herca atklāto fenomenu var novērot sekojošā viegli īstenojamā eksperimentā (1. att.).

Dzirksteles spraugas F izmērs ir izvēlēts tā, lai ķēdē, kas sastāv no transformatora T un kondensatora C, dzirkstele izslīd cauri ar grūtībām (vienu vai divas minūtes). Ja elektrodus F, kas izgatavoti no tīra cinka, apgaismo ar dzīvsudraba lampas Hg gaismu, tad kondensatora izlāde tiek ievērojami atvieglota: sāk lēkt dzirkstele. 1. Herca eksperimenta shēma.

Fotoelektrisko efektu 1905. gadā izskaidroja Alberts Einšteins (par to viņš saņēma a Nobela prēmija), pamatojoties uz Maksa Planka hipotēzi par gaismas kvantu dabu. Einšteina darbs ietvēra svarīgu jaunu hipotēzi – ja Planks ierosināja, ka gaisma izstaro tikai kvantētās porcijās, tad Einšteins jau uzskatīja, ka gaisma pastāv tikai kvantu daļu veidā. No idejas par gaismu kā daļiņām (fotoniem) uzreiz izriet Einšteina formula fotoelektriskajam efektam:

kur ir izstarotā elektrona kinētiskā enerģija, ir noteiktas vielas darba funkcija, ir krītošās gaismas frekvence, ir Planka konstante, kas izrādījās tieši tāda pati kā Planka formulā melnā ķermeņa starojumam.

Šī formula nozīmē fotoelektriskā efekta sarkanās robežas esamību. Tādējādi fotoelektriskā efekta izpēte bija viens no pirmajiem kvantu mehāniskajiem pētījumiem.

Stoletova likumi

Pirmo reizi (1888–1890), detalizēti analizējot fotoelektriskā efekta fenomenu, krievu fiziķis A.G. Stoletovs ieguva principiāli svarīgus rezultātus. Atšķirībā no iepriekšējiem pētniekiem viņš paņēma nelielu potenciālu starpību starp elektrodiem. Stoletova eksperimenta shēma ir parādīta attēlā. 2.

Uz akumulatora ir piestiprināti divi elektrodi (viens režģa formā, otrs - plakans), kas atrodas vakuumā. Iegūtās strāvas mērīšanai izmanto ķēdei pievienoto ampērmetru. Apstarojot katodu ar dažāda viļņa garuma gaismu, Stoletovs nonāca pie secinājuma, ka visefektīvāko efektu rada ultravioletie stari. Turklāt tika konstatēts, ka gaismas radītās strāvas stiprums ir tieši proporcionāls tās intensitātei.

1898. gadā Lenards un Tomsons izmantoja lādiņu novirzīšanas metodi elektriskās un magnētiskie lauki noteica īpašo uzlādēto daļiņu lādiņu, kas izmesti no att. 2. Stoletova eksperimenta shēma.

gaismu no katoda un saņēma izteiksmi

SGSE vienības s/g, kas sakrīt ar zināmo elektrona īpatnējo lādiņu. No tā izrietēja, ka gaismas ietekmē no katoda vielas tika izmesti elektroni.

Apkopojot iegūtos rezultātus, tika noteikts: modeļiem fotoefekts:

1. Ar nemainīgu spektrālais sastāvs gaismas, piesātinājuma fotostrāvas stiprums ir tieši proporcionāls gaismas plūsmai, kas krīt uz katoda.

2. Gaismas izmesto elektronu sākotnējā kinētiskā enerģija palielinās lineāri, palielinoties gaismas frekvencei, un tā nav atkarīga no tās intensitātes.

3. Fotoelektriskais efekts nenotiek, ja gaismas frekvence ir mazāka par noteiktu katram metālam raksturīgo vērtību, ko sauc par sarkano robežu.

Fotoelektriskā efekta pirmo likumsakarību, kā arī paša fotoelektriskā efekta rašanos var viegli izskaidrot, pamatojoties uz klasiskās fizikas likumiem. Patiešām, gaismas lauks, iedarbojoties uz elektroniem metāla iekšpusē, ierosina to vibrācijas. Amplitūda piespiedu svārstības var sasniegt vērtību, pie kuras elektroni atstāj metālu; tad tiek novērots fotoelektriskais efekts.

Sakarā ar to, ka saskaņā ar klasisko teoriju gaismas intensitāte ir tieši proporcionāla elektriskā vektora kvadrātam, izmesto elektronu skaits palielinās, palielinoties gaismas intensitātei.

Otrais un trešais fotoelektriskā efekta likums nav izskaidrojams ar klasiskās fizikas likumiem.

Pētot fotostrāvas (3. att.), kas rodas, apstarojot metālu ar monohromatiskas gaismas plūsmu, atkarību no potenciālu starpības starp elektrodiem (šo atkarību parasti sauc par fotostrāvas volt-ampēru raksturlielumu), konstatēts, ka: 1) fotostrāva rodas ne tikai pie, bet arī pie; 2) fotostrāva konkrētam metālam atšķiras no nulles līdz stingri noteiktai negatīva vērtība potenciālu starpība, tā sauktais aizkavēšanas potenciāls; 3) bloķēšanas (aizkavēšanas) potenciāla lielums nav atkarīgs no krītošās gaismas intensitātes; 4) fotostrāva palielinās, samazinoties palēninājuma potenciāla absolūtajai vērtībai; 5) fotostrāvas stiprums palielinās, palielinoties un no noteiktas vērtības fotostrāva (tā sauktā piesātinājuma strāva) kļūst nemainīga; 6) piesātinājuma strāvas stiprums palielinās, palielinoties krītošās gaismas intensitātei; 7) aizkaves vērtība Att. 3. Raksturlielumi

potenciāls ir atkarīgs no krītošās gaismas frekvences; fotostrāva

8) gaismas iedarbībā izmesto elektronu ātrums nav atkarīgs no gaismas intensitātes, bet ir atkarīgs tikai no tās frekvences.

Einšteina vienādojums

Fotoelektriskā efekta fenomens un visi tā likumi ir labi izskaidroti, izmantojot gaismas kvantu teoriju, kas apstiprina gaismas kvantu dabu.

Kā jau minēts, Einšteins (1905), izstrādājot Planka kvantu teoriju, izvirzīja domu, ka ne tikai starojums un absorbcija, bet arī gaismas izplatīšanās notiek daļās (kvantos), kuru enerģija un impulss:

kur ir vienības vektors, kas vērsts pa viļņu vektoru. Piemērojot enerģijas nezūdamības likumu metālu fotoelektriskā efekta parādībai, Einšteins ierosināja šādu formulu:

, (1)

kur ir elektrona darba funkcija no metāla un ir fotoelektrona ātrums. Pēc Einšteina domām, katru kvantu absorbē tikai viens elektrons, un daļa no krītošā fotona enerģijas tiek tērēta metāla elektrona darba funkcijas veikšanai, bet pārējā daļa elektronam piešķir kinētisko enerģiju.

Kā izriet no (1), fotoelektriskais efekts metālos var rasties tikai pie , pretējā gadījumā fotona enerģija būs nepietiekama, lai izrautu elektronu no metāla. Zemākā gaismas frekvence, kuras ietekmē rodas fotoelektriskais efekts, acīmredzot tiek noteikta no stāvokļa

Gaismas frekvenci, ko nosaka nosacījums (2), sauc par fotoelektriskā efekta “sarkano robežu”. Vārdam "sarkans" nav nekāda sakara ar gaismas krāsu, kurā rodas fotoelektriskais efekts. Atkarībā no metāla veida fotoelektriskā efekta “sarkanā maliņa” var atbilst sarkanai, dzeltenai, violetai, ultravioletajai gaismai utt.

Izmantojot Einšteina formulu, var izskaidrot citas fotoelektriskā efekta likumsakarības.

Pieņemsim, ka, t.i., starp anodu un katodu ir bremzēšanas potenciāls. Ja elektronu kinētiskā enerģija ir pietiekama, tad tie, pārvarot bremzēšanas lauku, rada fotostrāvu. Fotostrāvā piedalās tie elektroni, kuriem nosacījums ir izpildīts . Palēninājuma potenciāla lielumu nosaka no stāvokļa

, (3)

kur ir izmesto elektronu maksimālais ātrums. Rīsi. 4.

Aizstājot (3) ar (1), mēs iegūstam

Tādējādi palēninājuma potenciāla lielums nav atkarīgs no intensitātes, bet ir atkarīgs tikai no krītošās gaismas frekvences.

Elektronu darba funkciju no metāla un Planka konstantes var noteikt, uzzīmējot krītošās gaismas frekvences atkarības grafiku (4. att.). Kā redzat, segments, kas nogriezts no potenciālās ass, dod .

Sakarā ar to, ka gaismas intensitāte ir tieši proporcionāla fotonu skaitam, krītošās gaismas intensitātes palielināšanās izraisa izmesto elektronu skaita palielināšanos, t.i., fotostrāvas palielināšanos.

Einšteina formulai fotoelektriskajam efektam nemetālos ir forma

.

Saistītā elektrona noņemšana no atoma nemetālos ir izskaidrojama ar to, ka atšķirībā no metāliem, kur ir brīvie elektroni, nemetālos elektroni atrodas stāvoklī, kas saistīts ar atomiem. Acīmredzot, gaismai krītot uz nemetāliem, daļa gaismas enerģijas tiek tērēta fotoelektriskajam efektam atomā - elektrona atdalīšanai no atoma, bet atlikusī daļa tiek tērēta elektrona darba funkcijai un piešķiršanai. kinētiskā enerģija elektronam.

Vadības elektroni spontāni neatstāj metālu ievērojamos daudzumos. Tas izskaidrojams ar to, ka metāls tiem ir potenciāls caurums. Tikai tie elektroni, kuru enerģija ir pietiekama, lai pārvarētu uz virsmas esošo potenciālo barjeru, spēj atstāt metālu. Spēkiem, kas izraisa šo barjeru, ir šāda izcelsme. Nejauši elektrona noņemšana no režģa pozitīvo jonu ārējā slāņa izraisa liekā pozitīvā lādiņa parādīšanos vietā, kur elektrons aizgāja. Kulona mijiedarbība ar šo lādiņu liek elektronam, kura ātrums nav ļoti liels, atgriezties atpakaļ. Tādējādi atsevišķi elektroni pastāvīgi atstāj metāla virsmu, attālinās no tās vairākus starpatomiskus attālumus un pēc tam pagriežas atpakaļ. Tā rezultātā metālu ieskauj plāns elektronu mākonis. Šis mākonis kopā ar ārējo jonu slāni veido elektrisku dubultslāni (5. att.; apļi ir joni, melnie punkti ir elektroni). Spēki, kas iedarbojas uz elektronu šādā slānī, tiek novirzīti metālā. Darbs, kas veikts pret šiem spēkiem, pārvietojot elektronu no metāla uz āru, palielina elektrona potenciālo enerģiju (5. att.).

Tādējādi potenciālā enerģija Metāla iekšpusē ir mazāk valences elektronu nekā ārpus metāla par daudzumu, kas vienāds ar potenciālās iedobes dziļumu (6. att.). Enerģijas izmaiņas notiek vairāku starpatomu attālumu garumā, tāpēc urbuma sienas var uzskatīt par vertikālām.

Elektronu potenciālā enerģija Fig. 6.

un tā punkta potenciāls, kurā atrodas elektrons, ir pretējas zīmes. No tā izriet, ka potenciāls metāla iekšpusē ir par lielumu lielāks nekā potenciāls tiešā tā virsmas tuvumā.

Pārmērīga pozitīva lādiņa piešķiršana metālam palielina potenciālu gan uz metāla virsmas, gan iekšpusē. Attiecīgi samazinās elektrona potenciālā enerģija (7. att., a).

Par atskaites punktu tiek ņemtas potenciālās un potenciālās enerģijas vērtības bezgalībā. Negatīvā lādiņa ziņojums samazina potenciālu metāla iekšpusē un ārpusē. Attiecīgi palielinās elektrona potenciālā enerģija (7. att., b).

Elektrona kopējā enerģija metālā sastāv no potenciālās un kinētiskās enerģijas. Pie absolūtās nulles vadītspējas elektronu kinētiskās enerģijas vērtības svārstās no nulles līdz enerģijas līmenim, kas sakrīt ar Fermi līmeni. Attēlā 8, vadītspējas joslas enerģijas līmeņi ir ierakstīti potenciālā iedobē (punktētā līnija parāda neaizņemtos līmeņus pie 0K). Lai tos noņemtu no metāla, dažādiem elektroniem jāpiešķir dažādas enerģijas. Tādējādi elektronam, kas atrodas vadīšanas joslas zemākajā līmenī, ir jāpiešķir enerģija; elektronam, kas atrodas Fermi līmenī, ir pietiekami daudz enerģijas .

Minimālo enerģiju, kas jāpiešķir elektronam, lai to izņemtu no cieta vai šķidra ķermeņa vakuumā, sauc. darba funkcija. Elektrona no metāla darba funkciju nosaka izteiksme

Mēs ieguvām šo izteiksmi, pieņemot, ka metāla temperatūra ir 0K. Citās temperatūrās darba funkcija tiek definēta arī kā starpība starp potenciālās akas dziļumu un Fermi līmeni, t.i., definīcija (4) tiek attiecināta uz jebkuru temperatūru. Tāda pati definīcija attiecas uz pusvadītājiem.

Fermi līmenis ir atkarīgs no temperatūras. Turklāt, mainoties vidējo attālumu starp atomiem termiskās izplešanās dēļ, potenciālās urbuma dziļums nedaudz mainās. Tā rezultātā darba funkcija ir nedaudz atkarīga no temperatūras.

Darba funkcija ir ļoti jutīga pret metāla virsmas stāvokli, jo īpaši uz tās tīrību. Pareizi izvēloties att. 8.

virsmas pārklājums, darba funkciju var ievērojami samazināt. Piemēram, uzklājot uz volframa virsmas sārmzemju metālu oksīda (Ca, Sr, Ba) slāni, darba funkcija samazinās no 4,5 eV (tīram W) līdz 1,5 – 2 eV.

Iekšējais fotoelektriskais efekts

Iepriekš mēs runājām par elektronu izdalīšanos no vielas apgaismotās virsmas un to pāreju uz citu vidi, jo īpaši uz vakuumu. Šo elektronu emisiju sauc fotoelektronu emisija, un pati parādība ārējais fotoefekts. Kopā ar to, t.s iekšējais fotoelektriskais efekts, kurā, atšķirībā no ārējā, optiski ierosinātie elektroni paliek apgaismotā ķermeņa iekšpusē, nepārkāpjot tā neitralitāti. Šajā gadījumā vielā mainās lādiņnesēju koncentrācija vai to mobilitāte, kas izraisa vielas elektrisko īpašību izmaiņas gaismas ietekmē. Iekšējais fotoelektriskais efekts ir raksturīgs tikai pusvadītājiem un dielektriķiem. To jo īpaši var noteikt pēc apgaismotu viendabīgu pusvadītāju vadītspējas izmaiņām. Pamatojoties uz šo fenomenu - fotovadītspēja izveidots un pastāvīgi pilnveidots liela grupa gaismas uztvērēji - fotorezistori. Tie galvenokārt izmanto kadmija selenīdu un sulfīdu.

Neviendabīgos pusvadītājos līdz ar vadītspējas izmaiņām tiek novērota arī potenciālu starpības veidošanās (foto - emf). Šī parādība (fotogalvaniskais efekts) ir saistīta ar to, ka pusvadītāju vadītspējas viendabīguma dēļ vadītāja tilpumā notiek telpiska atdalīšanās no optiski ierosinātiem elektroniem, kas nes negatīvu lādiņu, un mikrozonām (caurumiem), kas rodas to atomu tiešā tuvumā, no kuriem ir atdalījušies elektroni, un līdzīgas daļiņas ar pozitīvu elementāru lādiņu. Elektroni un caurumi tiek koncentrēti dažādos pusvadītāja galos, kā rezultātā rodas elektromotora spēks, kura dēļ tas tiek ģenerēts bez ārējās emf pielietošanas. elektriskā strāva slodzē, kas savienota paralēli ar apgaismotu pusvadītāju. Tādā veidā tiek panākta tieša gaismas enerģijas pārvēršana elektroenerģijā. Šī iemesla dēļ fotoelementu gaismas uztvērējus izmanto ne tikai gaismas signālu ierakstīšanai, bet arī iekšā elektriskās ķēdes kā elektriskās enerģijas avotus.

Galvenie rūpnieciski ražotie šādu uztvērēju veidi ir uz selēna un sudraba sulfīda bāzes. Ļoti izplatīts ir arī silīcijs, germānija un vairāki savienojumi – GaAs, InSb, CdTe un citi. Fotoelementi, ko izmanto, lai pārvērstu saules enerģiju elektroenerģijā, ir kļuvuši īpaši plaši izplatīti kosmosa izpēte kā borta enerģijas avotus. Tiem ir salīdzinoši augsta efektivitāte (līdz 20%) un tie ir ļoti ērti autonoma lidojuma apstākļos. kosmosa kuģis. Mūsdienu saules baterijās atkarībā no pusvadītāju materiāla foto - emf. sasniedz 1 - 2 V, strāvas uztveršana no vairākiem desmitiem miliamperu, un uz 1 kg masas izejas jauda sasniedz simtiem vatu.

YAGMA

Medicīniskā fizika

Medicīnas fakultāte

1 kurss

2. semestris

Lekcija Nr.9

"Foto efekts"

Sastādītājs: Babenko N.I..

2011. gads

Foto efekts.

Ārējā fotoelektriskā efekta likumi. Foto efekts

– parādību grupa, kas saistīta ar vielas ierosināto atomu elektronu emisiju absorbēto fotonu enerģijas dēļ. Atklāja vācu zinātnieks Hercs 1887. gadā. Eksperimentāli pētīja krievu zinātnieks A.G. Stoletovs (1888 - 1890) Teorētiski skaidrojis A. Einšteins (1905).

Fotoelektriskā efekta veidi.

Iekšējais foto efekts: A. Vides vadītspējas izmaiņas gaismas ietekmē, fotorezista efekts

, tipisks pusvadītājiem. b. Vides dielektriskās konstantes izmaiņas gaismas ietekmē, fotodielektriskais efekts,

raksturīgi dielektriķiem. V. Fotoattēlu EMF izskats, fotoelektriskais efekts , kas raksturīgs nehomogēniem pusvadītājiem lpp Un n

-tips. :

Ārējais fotoefekts

Tā ir elektronu izdalīšanās (emisijas) parādība no vielas vakuumā absorbēto fotonu enerģijas dēļ. Fotoelektroni

- Tie ir elektroni, kas fotoelektriskā efekta dēļ atrauts no vielas atomiem. Fotostrāva

ir elektriskā strāva, ko veido sakārtota fotoelektronu kustība ārējā elektriskā laukā. Gaisma (F)

“K” un “A” - elektrodi,

ievieto vakuumā

"V" - nosaka spriegumu

starp elektrodiem

“G” - ieraksta fotostrāvu K(-) A

(+) “P” - potenciometrs priekš

sprieguma izmaiņas

"F" - gaismas plūsma

Rīsi. 1. Instalācija ārējā fotoelektriskā efekta likumu izpētei.

I Ārējā fotoelektriskā efekta likums (Stoļetova likums).
AR

Piesātinājuma fotostrāvas daudzums (t.i., no katoda izstaroto elektronu skaits laika vienībā) ir proporcionāls gaismas plūsmai, kas krīt uz metālu (2. att.).

kur k ir proporcionalitātes koeficients vai metāla jutība pret fotoelektrisko efektu

Rīsi. 2. Piesātinājuma fotostrāvu (I 1, I 2, I 3) atkarība no gaismas plūsmu intensitātes: Ф 1 > Ф 2 > Ф 3. Krītošās gaismas plūsmu frekvence ir nemainīga.

II fotoelektriskā efekta likums (Einšteina-Lenarda likums).

Ja maina avota akumulatora polus ((K(+), A(-)), tad starp katodu (K) un anodu (A) rodas elektriskais lauks, kas kavē elektronu kustību. Pie noteiktas bloķēšanas apgrieztā sprieguma U3 vērtību, fotostrāva ir 0 (3. att.).

Rīsi. 3. Piesātinājuma fotostrāvu atkarība dažādām krītošās gaismas frekvencēm pie nemainīgas krītošās gaismas intensitātes.

Izmērot bloķējošā sprieguma Uз lielumu, var noteikt starojuma izsisto elektronu maksimālo kinētisko enerģiju E k max. Mainoties gaismas plūsmas intensitātei Ф, maksimālā kinētiskā enerģija E k max nemainās, bet ja frekvence palielinās elektromagnētiskais starojums(mainīt redzamo gaismu uz ultravioleto), tad palielināsies fotoelektronu maksimālā kinētiskā enerģija E k max.

N
Fotoelektrona sākotnējā kinētiskā enerģija ir proporcionāla krītošā starojuma frekvencei un nav atkarīga no tā intensitātes.

kur h ir Planka konstante, v ir krītošās gaismas frekvence.

III ārējā fotoelektriskā efekta likums (sarkanās robežas likums).

Ja katodu secīgi apstaro ar dažādu monohromatisku starojumu, var konstatēt, ka, palielinoties viļņa garumam λ, fotoelektronu enerģija samazinās un pie noteiktas viļņa garuma λ ārējais fotoelektriskais efekts apstājas.

Garākais viļņa garumsλ (vai zemākā frekvences vērtībav), kurā joprojām notiek ārējais fotoelektriskais efekts, saucsarkana foto efekta apmale konkrētai vielai.

Sudrabam λcr = 260 nm

Cēzijam λcr => 620 nm

2. Einšteina vienādojums un tā pielietojums trim fotoelektriskā efekta likumiem.

IN
1905. gadā Einšteins papildināja Planka teoriju, ierosinot, ka gaismu, mijiedarbojoties ar vielu, absorbē tās pašas elementārās daļas (kvanti, fotoni), kā to izstaro saskaņā ar Planka teoriju.

Fotons ir daļiņa, kurai nav miera masas (m 0 =0) un kura pārvietojas ar ātrumu, kas vienāds ar gaismas ātrumu vakuumā (c = 3·10 8 m/s).

Kvants– daļa fotonu enerģijas.

Einšteina fotoelektriskā efekta vienādojums ir balstīts uz trim postulātiem:

1. Fotoni mijiedarbojas ar vielas atoma elektroniem un tiek pilnībā absorbēti tajos.

2. Viens fotons mijiedarbojas tikai ar vienu elektronu.

3. Katrs absorbētais fotons atbrīvo vienu elektronu. Šajā gadījumā fotona “ħλ” enerģija tiek tērēta darba funkcijai “ē” no vielas A virsmas un tai piešķirtajai kinētiskajai enerģijai.

ћ·ν = ћ· =
- Einšteina vienādojums

Šī enerģija “ħν” būs maksimāla, ja elektroni tiks atdalīti no virsmas.

Vienādojuma pielietojums, lai izskaidrotu trīs fotoelektriskā efekta likumus.

Uz pirmo likumu:

Palielinoties monohromatiskā starojuma intensitātei, palielinās metāla absorbēto kvantu skaits, tāpēc palielinās arī no tā izplūstošo elektronu skaits un palielinās fotostrāvas stiprums:

Pie otrā likuma:

UN
no Einšteina vienādojumiem:

Tie. Fotoelektrona E k max ir atkarīgs tikai no metāla veida (A out) un no krītošā starojuma frekvences ν(λ) un nav atkarīgs no starojuma intensitātes (F).

Pie III likuma:

ħν<А вых – то при любой интенсивности излученя фотоэффекта не будет, т.к. этой энергии фотона не хватит, чтобы вырвать ē из вещества.

ħν>A out - tiek novērots fotoelektriskais efekts, jo fotona enerģijas pietiek gan izejas A out darbam, gan kinētiskās enerģijas E saziņai ē līdz maks.

ħν=A out – fotoelektriskā efekta robeža, pie kuras

un fotona enerģijas pietiek tikai, lai izietu ē no metāla virsmas.

Šajā gadījumā Einšteina vienādojums izskatās šādi:

sarkana foto efekta apmale