Max Planck

Kvanteegenskaper til lys

I 1900 foreslo den tyske fysikeren Max Planck en hypotese: lys sendes ut og absorberes ikke kontinuerlig, men i separate porsjoner - kvanta(eller fotoner). Energi E hvert foton bestemmes av formelen E = hv , Hvor h - proporsjonalitetskoeffisient - Plancks konstant, v - frekvens av lys. Vi regnet eksperimentelt h= 6,63·10 -34 J·s. M. Plancks hypotese forklarte mange fenomener, nemlig fenomenet fotoelektrisk effekt, oppdaget i 1887 av den tyske vitenskapsmannen G. Hertz. Lengre fotoeffekt studert eksperimentelt av den russiske forskeren Stoletov.

Fotoelektrisk effekt og dens lover

Opplegg for Stoletovs eksperiment

Den fotoelektriske effekten er utstøting av elektroner fra et stoff under påvirkning av lys.
Som et resultat av forskningen ble det etablert 3 lover for fotoelektrisk effekt:
1. Metningsfotostrømmen er direkte proporsjonal med den innfallende lysfluksen.
2. Maksimum kinetisk energi fotoelektroner øker lineært med lysets frekvens og avhenger av intensiteten.
3. For hvert stoff som finnes maksimal lengde bølge der den fotoelektriske effekten fortsatt observeres. Ved lange lengder er det ingen fotoelektrisk effekt.

Teorien om den fotoelektriske effekten ble laget av den tyske vitenskapsmannen A. Einstein i 1905. Einsteins teori er basert på konseptet om arbeidsfunksjonen til elektroner fra et metall og konseptet om kvantestråling av lys. I følge Einsteins teori har den fotoelektriske effekten følgende forklaring: ved å absorbere en lyskvantum tilegner et elektron energi. Når man forlater metallet, avtar energien til hvert elektron med en viss mengde, som kalles arbeidsfunksjonen ( Avykh) . Arbeidsfunksjonen er minimumsenergien som må gis til et elektron for at det skal forlate metallet. Det avhenger av typen metall og tilstanden til overflaten. Den maksimale elektronenergien etter emisjon (hvis det ikke er andre tap) har formen :

— Dette er Einsteins ligning.

Hvis h v< Avykh , da oppstår ikke den fotoelektriske effekten. Begrens frekvens v min og begrensende bølgelengde λ maks kalt rød fotoeffektkant. Det uttrykkes slik: v min =A/h, λ maks = λ cr = hc/A, hvor λ max (λ cr) er den maksimale bølgelengden der den fotoelektriske effekten fortsatt observeres. Rød fotoeffektkant for forskjellige stoffer annerledes, fordi EN avhenger av type stoff.

Anvendelse av den fotoelektriske effekten i teknologi.
Enheter basert på den fotoelektriske effekten kalles fotoceller. Den enkleste slike enheten er en vakuumfotocelle. Ulempene med en slik fotocelle er: lav strøm, lav følsomhet for langbølget stråling, vanskeligheter med å produsere, umulig å bruke i vekselstrømkretser. Den brukes i fotometri for å måle lysstyrke, lysstyrke, belysning, i kino for lydgjengivelse, i fototelegrafer og fotofoner, i styring av produksjonsprosesser.

Det er halvlederfotoceller der konsentrasjonen av strømbærere endres under påvirkning av lys. Utformingen av fotomotstander er basert på dette fenomenet (intern fotoelektrisk effekt). De brukes i automatisk kontroll av elektriske kretser (for eksempel i t-baneturstiles), i vekselstrømkretser, i klokker og i mikrokalkulatorer. Halvlederfotoceller brukes i solcellepaneler på romskip og i tidlige biler.

Lover for ekstern fotoelektrisk effekt

Sammen med termisk stråling er et fenomen som ikke passer inn i rammen av klassisk fysikk den fotoelektriske effekten.

Den eksterne fotoelektriske effekten er fenomenet med utslipp av elektroner fra et stoff når det bestråles av elektromagnetiske bølger.

Den fotoelektriske effekten ble oppdaget av Hertz i 1887. Han la merke til at gnisten mellom sinkkuler ble lettere hvis gnistgapet ble bestrålt med lys. Loven om den eksterne fotoelektriske effekten ble studert eksperimentelt av Stoletov i 1888. Diagrammet for å studere den fotoelektriske effekten er vist i fig. 1.

Figur 1.

Katoden og anoden er plassert i et vakuumrør, siden ubetydelig forurensning av metalloverflaten påvirker emisjonen av elektroner. Katoden er opplyst med monokromatisk lys gjennom et kvartsvindu (kvarts, i motsetning til vanlig glass, overfører ultrafiolett lys). Spenningen mellom anode og katode justeres med potensiometer og måles med voltmeter. To batterier og koblet mot hverandre lar deg endre verdien og fortegn på spenningen ved hjelp av et potensiometer. Styrken til fotostrømmen måles med et galvanometer.

I fig.2. kurver som viser avhengigheten av fotostrømstyrken på spenning som tilsvarer forskjellig belysning av katoden og (). Lysfrekvensen er den samme i begge tilfeller.

hvor og er ladningen og massen til elektronet.

Når spenningen øker, øker fotostrømmen, siden alt større antall fotoelektroner når anoden. Den maksimale verdien av fotostrømmen kalles metningsfotostrøm. Det tilsvarer spenningsverdier der alle elektroner som kastes ut fra katoden når anoden: , hvor er antall fotoelektroner som sendes ut fra katoden på 1 sekund.

Stoletov etablerte eksperimentelt følgende lover for den fotoelektriske effekten:

Det oppsto alvorlige vanskeligheter med å forklare den andre og tredje loven. I følge elektromagnetisk teori, bør utstøtingen av frie elektroner fra metallet være et resultat av at de "svinger" i bølgens elektriske felt. Da er det ikke klart hvorfor topphastighet utsendte elektroner avhenger av lysets frekvens, og ikke av amplituden til oscillasjonene til den elektriske feltstyrkevektoren og den tilhørende bølgeintensiteten. Vanskeligheter med å tolke den andre og tredje loven for den fotoelektriske effekten har reist tvil om den universelle anvendeligheten til bølgeteorien om lys.

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten

I 1905 forklarte Einstein lovene for den fotoelektriske effekten ved å bruke sin foreslåtte kvanteteori. Lys sendes ikke bare ut av frekvens, slik Planck antok, men absorberes også av materie i visse deler (kvanter). Lys er en strøm av diskrete lyskvanter (fotoner) som beveger seg med lysets hastighet. Kvanteenergien er lik . Hvert kvante absorberes av bare ett elektron. Derfor må antallet utkastede elektroner være proporsjonalt med lysintensiteten (1. lov for den fotoelektriske effekten).

Energien til det innfallende fotonet brukes på elektronet som utfører arbeidet med å forlate metallet og på å overføre kinetisk energi til det utsendte fotoelektronet:

(2)

Ligning (2) kalles Einstein-ligningen for den eksterne fotoelektriske effekten. Einsteins ligning forklarer den andre og tredje loven for den fotoelektriske effekten. Det følger direkte av ligning (2) at den maksimale kinetiske energien øker med økende frekvens av det innfallende lyset. Når frekvensen avtar, avtar den kinetiske energien og ved en viss frekvens blir den lik null og den fotoelektriske effekten stopper (). Herfra

hvor er antallet absorberte fotoner.

I dette tilfellet skifter den røde grensen til den fotoelektriske effekten mot lavere frekvenser:

.

(5)

I tillegg til den eksterne fotoelektriske effekten, er den interne fotoeffekten også kjent. Når faste og flytende halvledere og dielektriske stoffer bestråles, beveger elektroner seg fra en bundet tilstand til en fri tilstand, men flyr ikke ut. Tilstedeværelsen av frie elektroner gir opphav til fotokonduktivitet. Fotokonduktivitet er en økning i den elektriske ledningsevnen til et stoff under påvirkning av lys.

Foton og dets egenskaper

Fenomenene interferens, diffraksjon og polarisering kan bare forklares av lysets bølgeegenskaper. Imidlertid er den fotoelektriske effekten og termisk stråling bare korpuskulær (betraktet lys som en fluks av fotoner). Bølge- og kvantebeskrivelser av lysets egenskaper utfyller hverandre. Lys er både en bølge og en partikkel. De grunnleggende ligningene som etablerer sammenhengen mellom bølge- og korpuskulære egenskaper er som følger:

(7)

Og er mengder som karakteriserer en partikkel, og er en bølge.

Vi finner fotonmassen fra relasjon (6): .

Et foton er en partikkel som alltid beveger seg med lysets hastighet og har en hvilemasse på null. Fotonmomentet er lik: .

Compton effekt

De mest komplette korpuskulære egenskapene manifesteres i Compton-effekten. I 1923 studerte den amerikanske fysikeren Compton spredningen av røntgenstråler av parafin, hvis atomer er lette.

Fra et bølgesynspunkt skyldes spredningen av røntgenstråler de tvungne vibrasjonene av elektronene i stoffet, slik at frekvensen til det spredte lyset må falle sammen med frekvensen til det innfallende lyset. Imidlertid ble det avslørt i det diffuse lyset lang lengde bølger er ikke avhengig av bølgelengden til de spredte røntgenstrålene og av materialet til spredningsstoffet, men avhenger av spredningsretningen. La da være vinkelen mellom retningen til primærstrålen og retningen til det spredte lyset , hvor (m).

Denne loven gjelder for lette atomer ( , , , ) som har elektroner som er svakt bundet til kjernen. Spredningsprosessen kan forklares med den elastiske kollisjonen mellom fotoner og elektroner. Når de utsettes for røntgenstråler, skilles elektroner lett fra atomet. Derfor kan spredning av frie elektroner vurderes. Et foton med momentum kolliderer med et stasjonært elektron og gir det en del av energien, og får selv momentum (fig. 3).

Fig.3.

Ved å bruke lovene om bevaring av energi og momentum for en absolutt elastisk innvirkning, får vi følgende uttrykk: , som faller sammen med den eksperimentelle, mens , som beviser den korpuskulære teorien om lys.

Luminescens, fotoluminescens og dens grunnleggende prinsipper

Luminescens er ikke-likevektsstråling som overskrider termisk stråling ved en gitt temperatur. Luminescens oppstår under påvirkning av ytre påvirkninger som ikke er forårsaket av oppvarming av kroppen. Dette er en kald glød. Avhengig av eksitasjonsmetoden skilles de ut: fotoluminescens (under påvirkning av lys), kjemiluminescens (under påvirkning av kjemiske reaksjoner), katodoluminescens (under påvirkning av raske elektroner) og elektroluminescens (under påvirkning av et elektrisk felt).

Luminescens stopper umiddelbart (er) etter forsvinning ytre påvirkning, kalles fluorescens. Hvis luminescens forsvinner innen s etter slutten av eksponeringen, kalles det fosforescens.

Stoffer som lyser opp kalles fosfor. Disse inkluderer forbindelser av uran, sjeldne jordarter, samt konjugerte systemer der bindinger veksler, aromatiske forbindelser: fluorescein, benzen, naftalen, antracen.

Fotoluminescens følger Stokes lov: frekvensen til det spennende lyset er større enn den utsendte frekvensen , hvor er den delen av den absorberte energien som blir til varme.

Hovedkarakteristikken til luminescens er kvanteutbyttet lik forholdet mellom antall absorberte kvanter og antall utsendte kvanter. Det er stoffer hvis kvanteutbytte er nær 1 (for eksempel fluorescein). Antracen har et kvanteutbytte på 0,27.

Fenomenet luminescens har fått bred applikasjon på praksis. For eksempel er luminescensanalyse en metode for å bestemme sammensetningen av et stoff ved dets karakteristiske glød. Metoden er svært følsom (omtrent ) for å oppdage små mengder urenheter og brukes til presis forskning innen kjemi, biologi, medisin og næringsmiddelindustri.

Luminescerende feildeteksjon lar deg oppdage de fineste sprekkene på overflaten av maskindeler (overflaten som undersøkes er dekket med en selvlysende løsning, som etter fjerning forblir i sprekkene).

Fosfor brukes i fluorescerende lamper, er det aktive mediet til optiske kvantegeneratorer og brukes i elektron-optiske omformere. Brukes til å lage lysende indikatorer for ulike enheter.

Fysiske prinsipper enheter for nattsyn

Grunnlaget for enheten er en elektron-optisk omformer (EOC), som konverterer et bilde av et objekt i IR-stråler som er usynlige for øyet til et synlig bilde (fig. 4).

Fig.4.

1 – fotokatode, 2 – elektronlinse, 3 – selvlysende skjerm,

Infrarød stråling fra objektet forårsaker fotoelektronutslipp fra overflaten av fotokatoden, og mengden utslipp fra forskjellige deler av sistnevnte endres i samsvar med fordelingen av lysstyrken til bildet som projiseres på det. Fotoelektroner akselererer elektrisk felt i området mellom fotokatoden og skjermen, fokuseres av en elektronlinse og bombarderer skjermen, og får den til å lyse opp. Intensiteten til gløden til individuelle punkter på skjermen avhenger av flukstettheten til fotoelektroner, som et resultat av at et synlig bilde av objektet vises på skjermen.

Den fotoelektriske effekten er frigjøring (hel eller delvis) av elektroner fra bindinger med atomer og molekyler av et stoff under påvirkning av lys (synlig, infrarød og ultrafiolett). Hvis elektroner går utover det opplyste stoffet ( fullstendig frigjøring), så kalles den fotoelektriske effekten ekstern (oppdaget i 1887 av Hertz og studert i detalj i 1888 av L. G. Stoletov). Hvis elektroner bare mister kontakt med "sine" atomer og molekyler, men forblir inne i det opplyste stoffet som "frie elektroner" (delvis frigjøring), og dermed øker den elektriske ledningsevnen til stoffet, så kalles den fotoelektriske effekten intern (oppdaget i 1873 av den amerikanske fysikeren W. Smith).

Den eksterne fotoelektriske effekten observeres i metaller. Hvis for eksempel en sinkplate koblet til et elektroskop og negativt ladet belyses med ultrafiolette stråler, vil elektroskopet raskt utlades; i tilfelle av en positivt ladet plate, skjer det ingen utladning. Det følger at lys trekker negativt ladede partikler ut av metallet; bestemmelse av størrelsen på ladningen deres (utført i 1898 av J. J. Thomson) viste at disse partiklene er elektroner.

Skjematisk målekrets som studien ble utført med ekstern fotoelektrisk effekt, vist i fig. 368.

Den negative polen til batteriet er koblet til metallplaten K (katode), den positive polen er koblet til hjelpeelektroden A (anode). Begge elektrodene er plassert i et evakuert kar med et kvartsvindu F (gjennomsiktig for optisk stråling). Siden den elektriske kretsen er åpen, er det ingen strøm i den. Når katoden er opplyst, trekker lyset ut elektroner (fotoelektroner) fra den, og skynder seg til anoden; en strøm (fotostrøm) vises i kretsen.

Kretsen gjør det mulig å måle styrken til fotostrømmen (med et galvanometer og hastigheten til fotoelektronene ved forskjellige betydninger spenning mellom katode og anode og kl ulike forhold katodebelysning.

Eksperimentelle studier utført av Stoletov, så vel som andre forskere, førte til etableringen av følgende grunnleggende lover for den eksterne fotoelektriske effekten.

1. Metningsfotostrøm I (dvs. det maksimale antallet elektroner frigjort av lys på 1 s) er direkte proporsjonal med lysstrømmen F:

hvor proporsjonalitetskoeffisienten kalles lysfølsomheten til den opplyste overflaten (målt i mikroampere per lumen, forkortet som

2. Hastigheten til fotoelektroner øker med økende frekvens av innfallende lys og er ikke avhengig av intensiteten.

3. Uavhengig av lysintensiteten, begynner den fotoelektriske effekten bare ved en viss (for et gitt metall) minimumsfrekvens av lys, kalt den "røde grensen" for den fotoelektriske effekten.

Den andre og tredje loven for den fotoelektriske effekten kan ikke forklares på grunnlag av bølgeteorien om lys. I følge denne teorien er lysintensiteten proporsjonal med kvadratet på amplituden elektromagnetisk bølge, "rokker" elektronet i metallet. Derfor vil lys av enhver frekvens, men med tilstrekkelig høy intensitet, måtte trekke elektroner ut av metallet; med andre ord, det skal ikke være noen "rød grense" for den fotoelektriske effekten. Denne konklusjonen er i strid med den tredje loven om den fotoelektriske effekten. Videre, jo større intensiteten til lyset er, desto større kinetisk energi bør elektronet motta fra det. Derfor vil hastigheten til fotoelektronet øke med økende lysintensitet; denne konklusjonen motsier den andre loven om den fotoelektriske effekten.

Lovene for den eksterne fotoelektriske effekten får en enkel tolkning basert på kvanteteorien om lys. I følge denne teorien bestemmes størrelsen på lysfluksen av antall lyskvanter (fotoner) som faller inn per tidsenhet på metalloverflaten. Hvert foton kan samhandle med bare ett elektron. Derfor

det maksimale antallet fotoelektroner må være proporsjonalt med lysstrømmen (den første loven for den fotoelektriske effekten).

Fotonenergien absorbert av elektronet blir brukt på elektronet som utfører arbeidet med utgang A fra metallet (se § 87); resten av denne energien er den kinetiske energien til fotoelektronet (elektronets masse, dets hastighet). Så, i henhold til loven om bevaring av energi, kan vi skrive

Denne formelen, foreslått i 1905 av Einstein og deretter bekreftet av en rekke eksperimenter, kalles Einstein-ligningen.

Fra Einsteins ligning er det direkte klart at hastigheten til et fotoelektron øker med økende lysfrekvens og ikke er avhengig av dets intensitet (siden verken eller er avhengig av lysets intensitet). Denne konklusjonen tilsvarer den andre loven om den fotoelektriske effekten.

I følge formel (26), når lysets frekvens avtar, synker den kinetiske energien til fotoelektroner (verdien av A er konstant for et gitt opplyst stoff). Ved en eller annen tilstrekkelig lav frekvens (eller bølgelengde), vil den kinetiske energien til fotoelektronet bli null og den fotoelektriske effekten vil opphøre (tredje lov for den fotoelektriske effekten, dvs. i tilfellet når all fotonenergien er brukt). på å utføre arbeidsfunksjonen til elektronet

Formler (27) bestemmer den "røde grensen" for den fotoelektriske effekten. Fra disse formlene følger det at det avhenger av verdien av arbeidsfunksjonen (av materialet til fotokatoden).

Tabellen viser verdiene for arbeidsfunksjonen A (i elektronvolt) og den røde grensen for den fotoelektriske effekten (i mikrometer) for noen metaller.

(se skanning)

Tabellen viser at for eksempel en cesiumfilm avsatt på wolfram gir en fotoelektrisk effekt selv under infrarød bestråling i natrium, den fotoelektriske effekten kan kun forårsakes av synlig og ultrafiolett lys, og for sink - kun ultrafiolett.

En viktig fysisk og teknisk enhet kalt en vakuumfotocelle er basert på den eksterne fotoelektriske effekten (det er en modifikasjon av installasjonen skjematisk vist i fig. 368).

Katoden K til vakuumfotocellen er et lag av metall avsatt på den indre overflaten av den evakuerte glassbeholderen B (fig. 369; G - galvanometer); anode A er laget i form av en metallring plassert i den sentrale delen av sylinderen. Når katoden er opplyst i fotocellekretsen, elektrisitet, hvis styrke er proporsjonal med størrelsen på lysstrømmen.

De fleste moderne solceller har antimon-cesium- eller oksygen-cesium-katoder, som har høy lysfølsomhet. Cesium oksygen fotoceller er følsomme for infrarøde og synlig lys(følsomhet antimon-cesium fotoceller er følsomme for synlig og ultrafiolett lys (følsomhet

I noen tilfeller, for å øke følsomheten til fotocellen, er den fylt med argon ved et trykk på omtrent 1 Pa. Fotostrømmen i en slik fotocelle forsterkes på grunn av argonionisering forårsaket av kollisjoner av fotoelektroner med argonatomer. Fotosensitiviteten til gassfylte fotoceller er ca.

Den interne fotoelektriske effekten observeres i halvledere og, i mindre grad, i dielektriske. Opplegget for å observere den interne fotoelektriske effekten er vist i fig. 370. En halvlederplate er koblet i serie med et galvanometer til polene til et batteri. Strømmen i denne kretsen er ubetydelig fordi halvlederen har høy motstand. Men når platen er opplyst, øker strømmen i kretsen kraftig. Dette skyldes det faktum at lys fjerner elektroner fra atomene i halvlederen, som, som blir igjen inne i halvlederen, øker dens elektriske ledningsevne (reduser motstand).

Fotoceller basert på den interne fotoelektriske effekten kalles halvlederfotoceller eller fotomotstander. Selen, blysulfid, kadmiumsulfid og noen andre halvledere brukes til deres fremstilling. Fotosensitiviteten til halvlederfotoceller er hundrevis av ganger høyere enn lysfølsomheten til vakuumfotoceller. Noen fotoceller har en distinkt spektral følsomhet. Selenfotocellen har en spektral følsomhet nær den spektrale følsomheten til det menneskelige øyet (se fig. 304, § 118).

Ulempen med halvlederfotoceller er deres merkbare treghet: endringen i fotostrøm henger etter endringen i belysningen av fotocellen. Derfor halvleder

fotoceller er uegnet for å registrere raskt skiftende lysstrømmer.

En annen type fotocelle er basert på den interne fotoelektriske effekten - en halvlederfotocelle med et barrierelag eller en portfotocelle. Diagrammet av denne fotocellen er vist i fig. 371.

En metallplate og et tynt lag med halvleder avsatt på den er forbundet med en ekstern elektrisk krets som inneholder et galvanometer. Som vist (se § 90), i kontaktsonen til halvlederen med metallet, dannes et blokkerende lag B. som har portledningsevne: den lar elektroner passere bare i retningen fra halvlederen til metallet. Når et halvlederlag er opplyst, vises frie elektroner i det på grunn av den interne fotoelektriske effekten. Passerer (i prosessen med kaotisk bevegelse) gjennom barrierelaget inn i metallet og ikke kan bevege seg i motsatt retning, danner disse elektronene en overflødig negativ ladning i metallet. En halvleder, fratatt noen av sine "egne" elektroner, får en positiv ladning. Potensialforskjellen (ca. 0,1 V) som oppstår mellom halvlederen og metallet skaper en strøm i fotocellekretsen.

Dermed er en ventilfotocelle en strømgenerator som direkte konverterer lysenergi til elektrisk energi.

Selen, kobberoksid, talliumsulfid, germanium og silisium brukes som halvledere i en ventilfotocelle. Fotosensitiviteten til ventilfotoceller er

Koeffisient nyttig handling moderne silisiumsolceller (belyst sollys) når i henhold til teoretiske beregninger, kan den økes til 22%.

Siden fotostrømmen er proporsjonal med lysstrømmen, brukes fotoceller som fotometriske enheter. Slike enheter inkluderer for eksempel en luxmåler (lysmåler) og en fotoelektrisk eksponeringsmåler.

Fotocellen lar deg konvertere fluktuasjoner i lysstrøm til tilsvarende svingninger i fotostrøm, som er mye brukt i lydfilmteknologi, fjernsyn osv.

Betydningen av fotoceller for telemekanisering og automatisering er ekstremt høy produksjonsprosesser. I kombinasjon med en elektronisk forsterker og et relé er fotocellen en integrert del av automatiske enheter som, som svar på lyssignaler, styrer driften av ulike industri- og landbruksinstallasjoner og transportmekanismer.

Den praktiske bruken av ventilfotoceller som elektrisitetsgeneratorer er svært lovende. Silisium fotocellebatterier, kalt solcellepaneler, brukes med hell på sovjetiske romsatellitter og skip for å drive radioutstyr. For dette Totalt areal fotoceller må være store nok. For eksempel på romfartøyet Soyuz-3 var overflatearealet til solcellepanelene ca

Når effektiviteten til solcellepaneler økes til 20-22 %, vil de utvilsomt bli av største betydning blant kildene som genererer elektrisitet til industrielle og husholdningsbehov.

1. Historie om oppdagelsen av den fotoelektriske effekten

2. Stoletovs lover

3. Einsteins ligning

4. Intern fotoelektrisk effekt

5. Anvendelse av det fotoelektriske effektfenomenet

Introduksjon

Tallrike optiske fenomener ble konsekvent forklart basert på ideer om lysets bølgenatur. Men på slutten av det 19. – begynnelsen av det 20. århundre. Slike fenomener som den fotoelektriske effekten, røntgenstråling, Compton-effekten, stråling av atomer og molekyler, termisk stråling og andre ble oppdaget og studert, hvis forklaring fra et bølgesynspunkt viste seg å være umulig. En forklaring av de nye eksperimentelle fakta ble innhentet på grunnlag av korpuskulære ideer om lysets natur. Det har oppstått en paradoksal situasjon med bruk av helt motsatt fysiske modeller bølger og partikler å forklare optiske fenomener. I noen fenomener viste lys bølgeegenskaper, i andre - korpuskulære egenskaper.

Blant de forskjellige fenomenene hvor lysets effekt på materien viser seg, er en viktig plass okkupert av fotoelektrisk effekt, det vil si utslipp av elektroner fra et stoff under påvirkning av lys. Analysen av dette fenomenet førte til ideen om lyskvanter og spilte en ekstremt viktig rolle i utviklingen av moderne teoretiske konsepter. Samtidig brukes den fotoelektriske effekten i fotoceller, som har fått ekstremt bred anvendelse innen ulike felt av vitenskap og teknologi og lover enda rikere utsikter.

Historien om oppdagelsen av den fotoelektriske effekten

Oppdagelsen av den fotoelektriske effekten skal tilskrives 1887, da Hertz oppdaget at belysning av elektrodene til et energisert gnistgap med ultrafiolett lys letter passasjen av en gnist mellom dem.

Fenomenet oppdaget av Hertz kan observeres i følgende lett gjennomførbare eksperiment (fig. 1).

Størrelsen på gnistgapet F velges på en slik måte at i en krets bestående av en transformator T og en kondensator C, slipper en gnist gjennom med vanskeligheter (en eller to ganger i minuttet). Hvis elektrodene F, laget av ren sink, er opplyst med lyset fra en kvikksølvlampe Hg, blir utladningen av kondensatoren betydelig lettere: en gnist begynner å hoppe Fig. 1. Skjema for Hertz sitt eksperiment.

Den fotoelektriske effekten ble forklart i 1905 av Albert Einstein (som han mottok en Nobel pris) basert på Max Plancks hypotese om lysets kvantenatur. Einsteins arbeid inneholdt en viktig ny hypotese - hvis Planck foreslo at lys bare sendes ut i kvantiserte porsjoner, så trodde Einstein allerede at lys kun eksisterer i form av kvanteporsjoner. Fra ideen om lys som partikler (fotoner), følger Einsteins formel for den fotoelektriske effekten umiddelbart:

hvor er den kinetiske energien til det utsendte elektronet, er arbeidsfunksjonen for et gitt stoff, er frekvensen til det innfallende lyset, er Plancks konstant, som viste seg å være nøyaktig den samme som i Plancks formel for svart kroppsstråling.

Denne formelen innebærer eksistensen av den røde grensen til den fotoelektriske effekten. Dermed var forskning på den fotoelektriske effekten en av de aller første kvantemekaniske studiene.

Stoletovs lover

For første gang (1888–1890), ved å analysere fenomenet fotoelektrisk effekt i detalj, ble den russiske fysikeren A.G. Stoletov oppnådde grunnleggende viktige resultater. I motsetning til tidligere forskere tok han en liten potensialforskjell mellom elektrodene. Opplegget til Stoletovs eksperiment er vist i fig. 2.

To elektroder (den ene gitterformet, den andre flat) i et vakuum er koblet til batteriet. Et amperemeter koblet til kretsen brukes til å måle den resulterende strømmen. Ved å bestråle katoden med lys av forskjellige bølgelengder, kom Stoletov til den konklusjon at den mest effektive effekten utøves av ultrafiolette stråler. I tillegg ble det funnet at styrken til strømmen generert av lys er direkte proporsjonal med intensiteten.

I 1898 brukte Lenard og Thomson metoden for å avlede ladninger i elektriske og magnetiske felt bestemte den spesifikke ladningen til ladede partikler som ble kastet ut fra fig. 2. Opplegg for Stoletovs eksperiment.

lys fra katoden, og mottok uttrykket

SGSE-enheter s/g, sammenfallende med den kjente spesifikke ladningen til elektronet. Av dette fulgte det at under påvirkning av lys ble elektroner kastet ut fra katodesubstansen.

Ved å oppsummere de oppnådde resultatene ble følgende etablert: mønstre fotoeffekt:

1. Med konstant spektral sammensetning lys, er styrken til metningsfotostrømmen direkte proporsjonal med lysstrømmen som faller inn på katoden.

2. Den innledende kinetiske energien til elektroner som kastes ut av lys øker lineært med økende lysfrekvens og er ikke avhengig av intensiteten.

3. Den fotoelektriske effekten oppstår ikke hvis lysets frekvens er mindre enn en viss verdi som er karakteristisk for hvert metall, kalt den røde grensen.

Den første regelmessigheten til den fotoelektriske effekten, så vel som forekomsten av selve den fotoelektriske effekten, kan lett forklares basert på lovene i klassisk fysikk. Lysfeltet, som virker på elektronene inne i metallet, eksiterer deres vibrasjoner. Amplitude tvangssvingninger kan nå en verdi ved hvilken elektroner forlater metallet; da observeres den fotoelektriske effekten.

På grunn av det faktum at intensiteten til lyset ifølge klassisk teori er direkte proporsjonal med kvadratet til den elektriske vektoren, øker antallet utkastede elektroner med økende lysintensitet.

Den andre og tredje loven for den fotoelektriske effekten er ikke forklart av lovene i klassisk fysikk.

Ved å studere avhengigheten av fotostrømmen (fig. 3), som oppstår når et metall bestråles med en strøm av monokromatisk lys, av potensialforskjellen mellom elektrodene (denne avhengigheten kalles vanligvis for fotostrømmens volt-ampere karakteristikk). det ble fastslått at: 1) fotostrømmen forekommer ikke bare ved, men også ved; 2) fotostrømmen er forskjellig fra null til strengt definert for et gitt metall negativ verdi potensialforskjell, det såkalte retarderingspotensialet; 3) størrelsen på blokkeringspotensialet (forsinkelsespotensialet) avhenger ikke av intensiteten til det innfallende lyset; 4) fotostrømmen øker med synkende absoluttverdi av retardasjonspotensialet; 5) størrelsen på fotostrømmen øker med økende og fra en viss verdi blir fotostrømmen (den såkalte metningsstrømmen) konstant; 6) størrelsen på metningsstrømmen øker med økende intensitet av det innfallende lyset; 7) forsinkelsesverdi Fig. 3. Kjennetegn

potensialet avhenger av frekvensen til det innfallende lyset; fotostrøm

8) hastigheten på elektroner som kastes ut under påvirkning av lys avhenger ikke av lysets intensitet, men avhenger bare av frekvensen.

Einsteins ligning

Fenomenet med den fotoelektriske effekten og alle dens lover er godt forklart ved hjelp av kvanteteorien om lys, som bekrefter lysets kvantenatur.

Som allerede nevnt, fremmet Einstein (1905), som utviklet Plancks kvanteteori, ideen om at ikke bare stråling og absorpsjon, men også forplantningen av lys skjer i deler (kvanter), hvis energi og momentum:

hvor er enhetsvektoren rettet langs bølgevektoren. Ved å bruke loven om bevaring av energi på fenomenet fotoelektrisk effekt i metaller, foreslo Einstein følgende formel:

, (1)

hvor er arbeidsfunksjonen til et elektron fra metallet, og er hastigheten til fotoelektronet. I følge Einstein absorberes hvert kvante av bare ett elektron, og en del av energien til det innfallende fotonet brukes på å utføre arbeidsfunksjonen til metallelektronet, mens den resterende delen gir kinetisk energi til elektronet.

Som det følger av (1), kan den fotoelektriske effekten i metaller kun oppstå ved , ellers vil fotonenergien være utilstrekkelig til å rive et elektron ut av metallet. Den laveste frekvensen av lys under påvirkning av hvilken den fotoelektriske effekten oppstår, bestemmes selvsagt ut fra tilstanden

Frekvensen av lys bestemt av tilstand (2) kalles den "røde grensen" for den fotoelektriske effekten. Ordet "rød" har ingenting å gjøre med fargen på lyset der den fotoelektriske effekten oppstår. Avhengig av typen metall kan den "røde kanten" av den fotoelektriske effekten tilsvare rødt, gult, fiolett, ultrafiolett lys, etc.

Ved å bruke Einsteins formel kan andre regelmessigheter av den fotoelektriske effekten forklares.

La oss anta at det er et bremsepotensial mellom anoden og katoden. Hvis den kinetiske energien til elektroner er tilstrekkelig, danner de, etter å ha overvunnet bremsefeltet, en fotostrøm. De elektronene som betingelsen er oppfylt for deltar i fotostrømmen . Størrelsen på retardasjonspotensialet bestemmes ut fra tilstanden

, (3)

hvor er den maksimale hastigheten til utkastede elektroner. Ris. 4.

Ved å erstatte (3) med (1), får vi

Størrelsen på retardasjonspotensialet avhenger således ikke av intensiteten, men avhenger kun av frekvensen til det innfallende lyset.

Arbeidsfunksjonen til elektroner fra et metall og Plancks konstant kan bestemmes ved å plotte en graf over avhengigheten av frekvensen av innfallende lys (fig. 4). Som du kan se, gir segmentet avskåret fra den potensielle aksen .

På grunn av det faktum at lysintensiteten er direkte proporsjonal med antall fotoner, fører en økning i intensiteten til det innfallende lyset til en økning i antall utkastede elektroner, dvs. til en økning i fotostrømmen.

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

.

Tilstedeværelsen av arbeidet med å fjerne et bundet elektron fra et atom inne i ikke-metaller forklares av det faktum at, i motsetning til metaller, hvor det er frie elektroner, er elektroner i ikke-metaller i en tilstand bundet til atomer. Åpenbart, når lys faller på ikke-metaller, brukes en del av lysenergien på den fotoelektriske effekten i atomet - på separasjonen av et elektron fra atomet, og den resterende delen brukes på arbeidsfunksjonen til elektronet og formidling kinetisk energi til elektronet.

Ledningselektroner forlater ikke spontant metallet i nevneverdige mengder. Dette forklares av det faktum at metall representerer et potensielt hull for dem. Bare de elektronene hvis energi er tilstrekkelig til å overvinne den potensielle barrieren på overflaten er i stand til å forlate metallet. Kreftene som forårsaker denne barrieren har følgende opphav. Den tilfeldige fjerningen av et elektron fra det ytre laget av positive ioner i gitteret resulterer i utseendet til en overflødig positiv ladning på stedet der elektronet forlot. Coulomb-interaksjonen med denne ladningen tvinger elektronet, hvis hastighet ikke er veldig høy, til å returnere. Dermed forlater individuelle elektroner konstant overflaten av metallet, beveger seg bort fra det flere interatomiske avstander og snur deretter tilbake. Som et resultat er metallet omgitt av en tynn sky av elektroner. Denne skyen danner sammen med det ytre laget av ioner et dobbelt elektrisk lag (fig. 5; sirkler er ioner, svarte prikker er elektroner). Kreftene som virker på elektronet i et slikt lag blir rettet inn i metallet. Arbeidet som gjøres mot disse kreftene ved overføring av et elektron fra metallet utover går til å øke elektronets potensielle energi (fig. 5).

Dermed, potensiell energi Det er færre valenselektroner inne i metallet enn utenfor metallet med en mengde som er lik dybden av den potensielle brønnen (fig. 6). Energiendringen skjer over en lengde av størrelsesorden flere interatomære avstander, slik at brønnens vegger kan betraktes som vertikale.

Elektron potensiell energi Fig. 6.

og potensialet til punktet der elektronet befinner seg har motsatte tegn. Det følger at potensialet inne i metallet er større enn potensialet i umiddelbar nærhet av overflaten med en mengde.

Å gi metallet en overflødig positiv ladning øker potensialet både på overflaten og inne i metallet. Den potensielle energien til elektronet avtar tilsvarende (fig. 7, a).

Verdiene av potensiell og potensiell energi i det uendelige tas som referansepunkt. Budskapet om negativ ladning senker potensialet i og utenfor metallet. Følgelig øker den potensielle energien til elektronet (fig. 7, b).

Den totale energien til et elektron i et metall består av potensielle og kinetiske energier. Ved absolutt null varierer verdiene til den kinetiske energien til ledningselektroner fra null til energinivået som faller sammen med Fermi-nivået. I fig. 8, er energinivåene til ledningsbåndet innskrevet i potensialbrønnen (den stiplede linjen viser nivåene ubesatt ved 0K). For å bli fjernet fra metallet må forskjellige elektroner gis forskjellige energier. Dermed må et elektron som befinner seg på det laveste nivået av ledningsbåndet gis energi; for et elektron som befinner seg på Fermi-nivå, er det nok energi .

Minimumsenergien som må gis til et elektron for å fjerne det fra et fast eller flytende legeme inn i et vakuum kalles arbeidsfunksjon. Arbeidsfunksjonen til et elektron fra et metall bestemmes av uttrykket

Vi oppnådde dette uttrykket under antagelsen om at temperaturen på metallet er 0K. Ved andre temperaturer er arbeidsfunksjonen også definert som forskjellen mellom dybden av potensialbrønnen og Fermi-nivået, dvs. definisjon (4) utvides til en hvilken som helst temperatur. Den samme definisjonen gjelder for halvledere.

Fermi-nivået avhenger av temperaturen. I tillegg, på grunn av endringen i gjennomsnittlige avstander mellom atomer på grunn av termisk ekspansjon, endres dybden av den potensielle brønnen litt. Dette resulterer i at arbeidsfunksjonen er litt temperaturavhengig.

Arbeidsfunksjonen er svært følsom for tilstanden til metalloverflaten, spesielt for rensligheten. Etter å ha valgt riktig Fig. 8.

overflatebelegg kan arbeidsfunksjonen reduseres kraftig. For eksempel, påføring av et lag med jordalkalimetalloksid (Ca, Sr, Ba) på overflaten av wolfram reduserer arbeidsfunksjonen fra 4,5 eV (for ren W) til 1,5 – 2 eV.

Intern fotoelektrisk effekt

Ovenfor snakket vi om frigjøring av elektroner fra den opplyste overflaten til et stoff og deres overgang til et annet medium, spesielt til et vakuum. Denne emisjonen av elektroner kalles fotoelektronutslipp, og selve fenomenet ekstern fotoeffekt. Sammen med det, den såkalte intern fotoelektrisk effekt, der, i motsetning til den eksterne, forblir optisk eksiterte elektroner inne i den opplyste kroppen uten å krenke nøytraliteten til sistnevnte. I dette tilfellet endres konsentrasjonen av ladningsbærere eller deres mobilitet i stoffet, noe som fører til en endring i de elektriske egenskapene til stoffet under påvirkning av lys som faller inn på det. Den interne fotoelektriske effekten er bare iboende i halvledere og dielektriske stoffer. Det kan detekteres, spesielt ved endringer i konduktiviteten til homogene halvledere når de er belyst. Basert på dette fenomenet - fotokonduktivitet opprettet og stadig forbedret stor gruppe lysmottakere – fotomotstander. De bruker hovedsakelig kadmiumselenid og sulfid.

I inhomogene halvledere, sammen med en endring i konduktivitet, observeres også dannelsen av en potensiell forskjell (foto - emf). Dette fenomenet (fotogalvanisk effekt) skyldes det faktum at på grunn av homogeniteten i ledningsevnen til halvledere, er det en romlig separasjon i volumet til lederen av optisk eksiterte elektroner som bærer en negativ ladning og mikrosoner (hull) som oppstår i umiddelbar nærhet til atomene som elektronene har løsnet fra, og som partikler som bærer positiv elementær ladning. Elektroner og hull er konsentrert i forskjellige ender av halvlederen, som et resultat av at det oppstår en elektromotorisk kraft, på grunn av hvilken den genereres uten påføring av en ekstern emf. elektrisk strøm i en last koblet parallelt med en opplyst halvleder. På denne måten oppnås direkte konvertering av lysenergi til elektrisk energi. Det er av denne grunn at fotovoltaiske lysmottakere ikke bare brukes til å ta opp lyssignaler, men også i elektriske kretser som kilder til elektrisk energi.

De viktigste industrielt produserte typene av slike mottakere er basert på selen og sølvsulfid. Silisium, germanium og en rekke forbindelser er også svært vanlige - GaAs, InSb, CdTe og andre. Fotovoltaiske celler, som brukes til å konvertere solenergi til elektrisk energi, har blitt spesielt utbredt i romforskning som kilder til strøm om bord. De har en relativt høy effektivitet (opptil 20%) og er veldig praktiske i autonome flyforhold. romskip. I moderne solceller, avhengig av halvledermaterialet, foto - emf. når 1 - 2 V, strømopptak fra flere titalls milliampere, og per 1 kg masse når utgangseffekten hundrevis av watt.

YAGMA

Medisinsk fysikk

Medisinsk fakultet

1 kurs

2. semester

Forelesning nr. 9

"Fotoeffekt"

Sammensatt av: Babenko N.I..

2011

Fotoeffekt. Lover for ekstern fotoelektrisk effekt.

Fotoeffekt– en gruppe fenomener knyttet til utslipp av elektroner fra eksiterte atomer av et stoff på grunn av energien til absorberte fotoner. Oppdaget av den tyske forskeren Hertz i 1887. Eksperimentelt studert av den russiske forskeren A.G. Stoletov (1888 - 1890) Teoretisk forklart av A. Einstein (1905).

Typer fotoelektrisk effekt.

Intern fotoeffekt:

EN. Endring i mediets ledningsevne under påvirkning av lys, fotoresist effekt, typisk for halvledere.

b. Endring i dielektrisitetskonstanten til et medium under påvirkning av lys, fotodielektrisk effekt, typisk for dielektrikum.

V. Utseendet til foto-EMF, fotovoltaisk effekt, typisk for inhomogene halvledere s Og n-type.

Ekstern fotoeffekt :

Dette er fenomenet frigjøring (utslipp) av elektroner fra et stoff til et vakuum på grunn av energien til absorberte fotoner.

Fotoelektroner– Dette er elektroner som er revet fra atomene til et stoff på grunn av den fotoelektriske effekten.

Fotostrøm er en elektrisk strøm dannet av den ordnede bevegelsen av fotoelektroner i et eksternt elektrisk felt.

Lys (F)"K" og "A" - elektroder,

plassert i vakuum

"V" - fikser spenning

mellom elektrodene

"G" - registrerer fotostrøm

K(-) A(+) “P” - potensiometer for

spenningsendringer

"F" - lysstrøm

Ris. 1. Installasjon for å studere lovene for den eksterne fotoelektriske effekten.

I Loven om ekstern fotoelektrisk effekt (Stoletovs lov).

MED
Mengden av metningsfotostrøm (dvs. antall elektroner som sendes ut fra katoden per tidsenhet) er proporsjonal med lysstrømmen som faller inn på metallet (fig. 2).

hvor k er proporsjonalitetskoeffisienten, eller følsomheten til metallet for den fotoelektriske effekten

Ris. 2. Avhengighet av metningsfotostrømmer (I 1, I 2, I 3) av intensiteten til lysstrømmer: Ф 1 > Ф 2 > Ф 3. Frekvensen av innfallende lysflukser er konstant.

II lov om den fotoelektriske effekten (Einstein-Lenard lov).

Hvis du bytter polene på kildebatteriet ((K(+), A(-)), så oppstår det et elektrisk felt mellom katoden (K) og anoden (A), som hemmer bevegelsen av elektroner. Ved en viss blokkering verdien av reversspenningen U3, er fotostrømmen lik 0 (fig. 3).

Ris. 3. Avhengighet av metningsfotostrømmer for forskjellige frekvenser av innfallende lys ved en konstant intensitet av innfallende lys.

I dette tilfellet vil elektroner som rømmer fra katoden, selv ved maksimal hastighet Vmax, ikke kunne passere gjennom blokkeringsfeltet.

Ved å måle verdien av blokkeringsspenningen Uз er det mulig å bestemme den maksimale kinetiske energien Ek max for elektroner som er slått ut av stråling. Når intensiteten til lysfluksen Ф endres, endres ikke den maksimale kinetiske energien Ek max, men hvis frekvensen øker elektromagnetisk stråling(endre synlig lys til ultrafiolett), da vil den maksimale kinetiske energien Ek max av fotoelektroner øke.

N
Den innledende kinetiske energien til fotoelektronet er proporsjonal med frekvensen til den innfallende strålingen og avhenger ikke av dens intensitet.

hvor h er Plancks konstant, v er frekvensen til det innfallende lyset.

III lov om ekstern fotoelektrisk effekt (loven om den røde grensen).

Hvis katoden sekvensielt bestråles med ulike monokromatiske strålinger, kan man finne at med økende bølgelengde λ, avtar energien til fotoelektronene og ved en viss verdi av bølgelengden λ stopper den eksterne fotoelektriske effekten.

Lengste bølgelengdeλ (eller laveste frekvensverdiv) hvor den eksterne fotoelektriske effekten fortsatt finner sted, kallesrød fotoeffektkant for et gitt stoff.

For sølv λcr = 260 nm

For cesium λcr =>620 nm

2. Einsteins ligning og dens anvendelse på de tre lovene for den fotoelektriske effekten.

I
I 1905 supplerte Einstein Plancks teori ved å antyde at lys, som interagerer med materie, absorberes av de samme elementære delene (kvanter, fotoner) som det sendes ut i henhold til Plancks teori.

Foton er en partikkel som ikke har hvilemasse (m 0 =0), og beveger seg med en hastighet lik lysets hastighet i vakuum (c = 3·10 8 m/s).

Kvante– en del av fotonenergi.

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten er basert på tre postulater:

1. Fotoner samhandler med elektronene i atomet til stoffet og absorberes fullstendig av dem.

2. Ett foton samhandler med bare ett elektron.

3. Hvert absorbert foton frigjør ett elektron. I dette tilfellet brukes energien til fotonet "ħλ" på arbeidsfunksjonen "ē" fra overflaten av stoffet A ut og på den kinetiske energien som tildeles det

ћ·ν = ћ· =
- Einsteins ligning

Denne energien "ħν" vil være maksimal hvis elektroner løsnes fra overflaten.

Anvendelse av ligningen for å forklare de tre lovene for den fotoelektriske effekten.

Til den første loven:

Når intensiteten av monokromatisk stråling øker, øker antallet kvanter som absorberes av metallet, derfor øker antallet elektroner som slipper ut fra det og styrken til fotostrømmen øker:

Til den andre loven:

OG
fra Einsteins ligninger:

De. Ek max av fotoelektronet avhenger kun av typen metall (A ut) og av frekvensen ν(λ) til den innfallende strålingen og er ikke avhengig av intensiteten til strålingen (F).

Til III-loven:

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 ut – den fotoelektriske effekten observeres, siden fotonenergien er nok både for arbeidet til utgangen A ut og for kommunikasjonen ē av kinetisk energi E til maks.

ħν=A ut – grensen for den fotoelektriske effekten ved hvilken

og fotonenergien er bare nok til å gå ut ē fra metalloverflaten.

I dette tilfellet ser Einsteins ligning slik ut:

rød fotoeffektkant