Fotoelektriskā efekta veidi. komptona efekts

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 tikai plašs pielietojums visdažādākajās zinātnes un tehnoloģiju jomās un sola vēl bagātākas perspektīvas.

Fotoelektriskā efekta atklāšanas vēsture

Fotoelektriskā efekta atklāšana datējama ar 1887. gadu, kad Hercs atklāja, ka apgaismojums ultravioletā gaisma elektriskie dzirksteļu spraugas elektrodi atvieglo dzirksteles pārlēkšanu 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 - kinētiskā enerģija izstarotā elektrona, – darba funkcija konkrētai vielai, – krītošās gaismas frekvence, – 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 tiek izmantots ķēdei pievienots ampērmetrs. Apstarojot katodu ar dažāda viļņa garuma gaismu, Stoletovs nonāca pie secinājuma, ka ultravioletajiem stariem ir visefektīvākā iedarbība. 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 īpatnējo 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 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 novērojams 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 - maksimālais ātrums izmesti elektroni. Rīsi. 4.

Aizstājot (3) ar (1), mēs iegūstam

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

Metāla elektronu darba funkciju un Planka konstanti var noteikt, uzzīmējot grafiku kā krītošās gaismas frekvences funkciju (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 potenciāla urbuma 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 metāla virsmā, 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, ņemot vērā vidējo attālumu starp atomiem izmaiņas 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. elektrība slodzē, kas savienota paralēli ar apgaismotu pusvadītāju. Tādā veidā tiek panākta tieša gaismas enerģijas pārvēršana elektroenerģijā. Šī iemesla dēļ fotoelektriskos gaismas uztvērējus izmanto ne tikai gaismas signālu ierakstīšanai, bet arī elektriskās ķēdēs kā elektroenerģijas 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. Viņiem ir salīdzinoši augsts koeficients noderīga darbība(līdz 20%) ir ļoti ērti kosmosa kuģa autonoma lidojuma apstākļos. 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.

1887. gadā Heinrihs Rūdolfs Hercs atklāja parādību, ko vēlāk sauca par fotoelektrisko efektu. Viņš definēja tā būtību šādi:

Ja dzīvsudraba lampas gaisma tiek vērsta uz nātrija metālu, tad no tā virsmas izlidos elektroni.

Mūsdienu fotoelektriskā efekta formulējums ir atšķirīgs:

Kad gaismas kvanti nokrīt uz vielas un pēc to turpmākās absorbcijas, lādētās daļiņas daļēji vai pilnībā izdalīsies vielā.

Citiem vārdiem sakot, kad gaismas fotoni tiek absorbēti, tiek novērots:

Elektronu emisija no matērijas
Vielas elektriskās vadītspējas izmaiņas
Foto-EMF parādīšanās datu nesēju saskarnē ar dažādu vadītspēju (piemēram, metāla pusvadītāju)

Pašlaik ir trīs veidu fotoelektriskie efekti:

Iekšējais fotoefekts. Tas sastāv no pusvadītāju vadītspējas maiņas. To izmanto fotorezistoros, kurus izmanto rentgena staros un dozimetros. ultravioletais starojums, ko izmanto arī medicīnas ierīcēs (oksimetrs) un ugunsgrēka signalizācijā.
Vārsta fotoefekts. Tas sastāv no foto-EMF rašanās vielu saskarnē ar dažādi veidi vadītspēja, nesēja atdalīšanas rezultātā elektriskais lādiņš elektriskais lauks. Tas tiek izmantots ar saules enerģiju, selēna fotoelementos un sensoros, kas reģistrē gaismas līmeni.
Ārējais fotoefekts. Kā minēts iepriekš, tas ir process, kurā elektroni kvantu ietekmē atstāj vielu vakuumā. elektromagnētiskā radiācija.

Likumi ārējais fotoelektriskais efekts.

Tos uzstādīja Filips Lenards un Aleksandrs Grigorjevičs Stoletovs 20. gadsimta mijā. Šie zinātnieki izmērīja izmesto elektronu skaitu un to ātrumu kā pielietotā starojuma intensitātes un frekvences funkciju.

Pirmais likums (Stoļetova likums):

Piesātinājuma fotostrāvas stiprums ir tieši proporcionāls gaismas plūsmai, t.i. krītošais starojums uz vielu.

Teorētiskais formulējums: Ja spriegums starp elektrodiem ir nulle, fotostrāva nav nulle. Tas izskaidrojams ar to, ka pēc atstāšanas no metāla elektroniem ir kinētiskā enerģija. Ja starp anodu un katodu ir spriegums, fotostrāvas stiprums palielinās, palielinoties spriegumam, un pie noteiktas sprieguma vērtības strāva sasniedz maksimālo vērtību (piesātinājuma fotostrāva). Tas nozīmē, ka visi elektroni, ko katru sekundi elektromagnētiskā starojuma ietekmē izstaro katods, piedalās strāvas veidošanā. Kad polaritāte ir mainīta, strāva samazinās un drīz kļūst par nulli. Šeit elektrons darbojas pret aizkavējošo lauku kinētiskās enerģijas dēļ. Palielinoties starojuma intensitātei (palielinoties fotonu skaitam), palielinās metāla absorbēto enerģijas kvantu skaits, un līdz ar to palielinās izstaroto elektronu skaits. Tas nozīmē, ka jo lielāka ir gaismas plūsma, jo lielāka ir piesātinājuma fotostrāva.

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

k - proporcionalitātes koeficients. Jutība ir atkarīga no metāla īpašībām. Metāla jutība pret fotoelektrisko efektu palielinās, palielinoties gaismas frekvencei (samazinoties viļņa garumam).

Šī likuma redakcija ir tehniska. Tas ir derīgs vakuuma fotoelektriskajām ierīcēm.

Emitēto elektronu skaits ir tieši proporcionāls krītošās plūsmas blīvumam ar nemainīgu spektrālo sastāvu.

Otrais likums (Einšteina likums):

Fotoelektrona maksimālā sākotnējā kinētiskā enerģija ir proporcionāla krītošās starojuma plūsmas frekvencei un nav atkarīga no tās intensitātes.

E kē = => ~ hυ

Trešais likums (“sarkanās robežas likums”):

Katrai vielai ir noteikts minimālais biežums vai maksimālais garums vilnis, aiz kura nav fotoelektriskā efekta.

Šo frekvenci (viļņa garumu) sauc par fotoelektriskā efekta “sarkano malu”.

Tādējādi viņš nosaka fotoelektriskā efekta nosacījumus noteiktai vielai atkarībā no elektrona darba funkcijas no vielas un no krītošo fotonu enerģijas.

Ja fotona enerģija ir mazāka par elektrona darba funkciju no vielas, tad fotoelektriskā efekta nav. Ja fotona enerģija pārsniedz darba funkciju, tad tās pārpalikums pēc fotona absorbcijas pāriet uz fotoelektrona sākotnējo kinētisko enerģiju.

Izmantojot to, lai izskaidrotu fotoelektriskā efekta likumus.

Einšteina vienādojums fotoelektriskajam efektam ir īpašs enerģijas nezūdamības un transformācijas likuma gadījums. Viņš balstīja savu teoriju uz vēl topošās kvantu fizikas likumiem.

Einšteins formulēja trīs priekšlikumus:

Kad tiek pakļauti vielas elektroniem, krītošie fotoni tiek pilnībā absorbēti.
Viens fotons mijiedarbojas tikai ar vienu elektronu.
Viens absorbēts fotons veicina tikai viena fotoelektrona izdalīšanos ar noteiktu E kē.

Fotona enerģija tiek tērēta elektrona darba funkcijai (Aout) no vielas un tā sākuma kinētiskajai enerģijai, kas būs maksimāla, ja elektrons atstāj vielas virsmu.

E kē = hυ - A izvade

Jo augstāka ir krītošā starojuma frekvence, jo lielāka ir fotonu enerģija un jo vairāk (atskaitot darba funkciju) paliek fotoelektronu sākotnējai kinētiskajai enerģijai.

Jo intensīvāks ir krītošais starojums, jo vairāk fotonu nonāk gaismas plūsmā un jo vairāk elektronu var izkļūt no vielas un piedalīties fotostrāvas veidošanā. Tāpēc piesātinājuma fotostrāvas stiprums ir proporcionāls gaismas plūsmai (I f us ~ F). Tomēr sākotnējā kinētiskā enerģija nav atkarīga no intensitātes, jo Viens elektrons absorbē tikai viena fotona enerģiju.

Ievads

1. Fotoelektriskā efekta atklāšanas vēsture

2. Stoletova likumi

3. Einšteina vienādojums

4. Iekšējais fotoelektriskais efekts

5. Fotoelektriskā efekta fenomena pielietojums

Bibliogrāfija

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. Radās paradoksāla situācija saistībā ar pilnīgi pretēju viļņu un daļiņu fizisko modeļu izmantošanu optisko parādību izskaidrošanai. 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.

1. 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.).

Fotoelektrisko efektu 1905. gadā skaidroja Alberts Einšteins (par to viņš 1921. gadā saņēma Nobela prēmiju), 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:

, 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.

2. Stoletova likumi

1898. gadā Lenards un Tomsons, izmantojot metodi lādiņu novirzīšanai elektriskajos un magnētiskajos laukos, noteica īpatnējo uzlādēto daļiņu lādiņu, kas izmesti no 1. 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 gaismas spektrālo sastāvu 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 nav atkarīga no tās intensitātes.

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

, ko sauc par sarkano apmali.

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. Piespiedu svārstību amplitūda var sasniegt tādu vērtību, pie kuras elektroni atstāj metālu; tad novērojams fotoelektriskais efekts.

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

, bet arī ar ; 2) fotostrāva atšķiras no nulles līdz negatīvai potenciāla starpībai, kas ir stingri noteikta konkrētam metālam, tā sauktajam palēninājuma potenciālam; 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.

3. Einšteina vienādojums

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

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, tiek izgaismota cinka plāksne, kas savienota ar elektroskopu un ir negatīvi uzlādēta ultravioletie stari, tad 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.

Pamata mērīšanas ķēde, ar kuru tika pētīts ārējais fotoelektriskais efekts, ir parādīta 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. 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 uzklāta cēzija plēve dod fotoelektrisku efektu pat infrasarkanā starojuma gadījumā, fotoelektrisko efektu var izraisīt tikai redzamā un ultravioletā gaisma, bet cinkam – tikai ultravioletais starojums.

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 rodas 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 savienoti ar ārēju elektriskā ķēde kas satur galvanometru Kā tika parādīts (sk. § 90), pusvadītāja saskares zonā ar metālu veidojas bloķējošs slānis B, kuram ir vārtu vadītspēja: tas izlaiž elektronus 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

Mūsdienu silīcija saules bateriju efektivitāte (izgaismota 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, ko sauc par saules baterijām, veiksmīgi izmanto padomju kosmosa satelītos un kuģos, lai darbinātu radioiekārtas. Priekš šī kopējais laukums fotoelementiem jābūt pietiekami lieliem. Piemēram, uz kosmosa kuģis 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.

Viņš izvirzīja hipotēzi: gaisma tiek izstarota un absorbēta atsevišķās daļās - kvantos (vai fotonos). Katra fotona enerģiju nosaka formula E= h ν , Kur h - Planka konstante ir vienāda ar 6,63. 10-34 J. s, ν - gaismas frekvence. Planka hipotēze izskaidroja daudzas parādības: jo īpaši fotoelektriskā efekta fenomenu, ko 1887. gadā atklāja vācu zinātnieks Heinrihs Hercs un eksperimentāli pētīja krievu zinātnieks A. G. Stoletovs.

Foto efekts — Šī ir elektronu emisijas parādība no vielas gaismas ietekmē.

Pētījuma rezultātā tika izveidoti trīs fotoelektriskā efekta likumi:

1. Piesātinājuma strāvas stiprums ir tieši proporcionāls gaismas starojuma intensitātei, kas krīt uz ķermeņa virsmu.

2. Fotoelektronu maksimālā kinētiskā enerģija palielinās lineāri ar gaismas frekvenci un nav atkarīga no tās intensitātes.

3. Ja gaismas frekvence ir mazāka par noteiktu minimālo frekvenci, kas noteikta konkrētai vielai, tad fotoelektriskais efekts nenotiek.

Fotostrāvas atkarība no sprieguma parādīta 36. attēlā.

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. hv. Izejot no metāla, katra elektrona enerģija samazinās par noteiktu daudzumu, ko sauc darba funkcija(Ā, ārā). Darba funkcija ir darbs, kas nepieciešams elektrona noņemšanai no metāla. Maksimālajai elektronu enerģijai pēc izbraukšanas (ja nav citu zudumu) ir šāda forma: mv 2 /2 = hv — A izeja,Šo vienādojumu sauc par Einšteina vienādojumu .

Ja hν< Bet fotoelektriskais efekts nenotiek. nozīmē, sarkana foto efekta apmale vienāds ar ν min = Izlaide / h

Tiek sauktas ierīces, kuru pamatā ir fotoelektriskā efekta princips foto elementi. Vienkāršākā šāda ierīce ir vakuuma fotoelements. Šādas fotoelementa trūkumi ir: zema strāva, zema jutība pret garo viļņu starojumu, ražošanas grūtības, neiespējamība 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. Tos izmanto elektrisko ķēžu automātiskajā vadībā (piemēram, metro turniketos), maiņstrāvas ķēdēs un kā neatjaunojamo strāvu. avoti pulksteņos, mikrokalkulatoros, tiek pārbaudītas pirmās saules automašīnas, tiek izmantotas mākslīgo Zemes pavadoņu, starpplanētu un orbitālo automātisko staciju saules baterijās.

Fotoelektriskā efekta parādība ir saistīta ar fotoķīmiskiem procesiem, kas notiek gaismas ietekmē fotomateriālos.

Fotoelektriskā efekta veidi. komptona efekts

Līdzīgi raksti

Izlasi arī