typer fotoelektrisk effekt. Stoletovs lover for den eksterne fotoelektriske effekten. compton effekt

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 utelukkende har mottatt bred applikasjon innen de mest forskjellige feltene innen vitenskap og teknologi og lover enda rikere utsikter.

Historien om oppdagelsen av den fotoelektriske effekten

Oppdagelsen av den fotoelektriske effekten skulle dateres tilbake til 1887, da Hertz oppdaget at belysning ultrafiolett lys gnistgap-elektroder med energi gjør det lettere for en gnist å hoppe 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 - kinetisk energi av et utsendt elektron, – arbeidsfunksjonen for et gitt stoff, – frekvensen til det innfallende lyset, – 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 (en i form av et rutenett, den andre - flat), plassert i et vakuum, er festet 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 ultrafiolette stråler hadde den mest effektive effekten. 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 kastes 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. Det fulgte 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 blir bestrålt med en strøm av monokromatisk lys, av potensialforskjellen mellom elektrodene (denne avhengigheten kalles vanligvis volt-ampere-karakteristikken til fotostrømmen). 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 retarderende potensialet; 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 å bruke lysets kvanteteori, 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 - topphastighet 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 metallet og Plancks konstant kan bestemmes ved å plotte avhengigheten av frekvensen til det innfallende lyset (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. elektrisitet i en last koblet parallelt med en belyst halvleder. På denne måten oppnås direkte konvertering av lysenergi til elektrisk energi. Det er av denne grunn at fotovoltaiske lysmottakere brukes ikke bare for å registrere 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 koeffisient nyttig handling(opptil 20%) er veldig praktiske under forhold med autonom flyvning av et romfartøy. 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.

I 1887 oppdaget Heinrich Rudolf Hertz et fenomen som senere ble kalt den fotoelektriske effekten. Han definerte essensen som følger:

Hvis lyset fra en kvikksølvlampe rettes mot natriummetall, vil elektroner fly ut fra overflaten.

Den moderne formuleringen av den fotoelektriske effekten er annerledes:

Når lyskvanter faller på et stoff og ved deres påfølgende absorpsjon, vil ladede partikler frigjøres delvis eller fullstendig i stoffet.

Med andre ord, når lysfotoner absorberes, observeres følgende:

Emisjon av elektroner fra materie
Endring i elektrisk ledningsevne til et stoff
Utseendet til foto-EMF ved grensesnittet til medier med forskjellige ledningsevner (for eksempel metall-halvleder)

For tiden er det tre typer fotoelektrisk effekt:

Intern fotoeffekt. Den består i å endre ledningsevnen til halvledere. Den brukes i fotoresistorer, som brukes i røntgen og dosimetre. ultrafiolett stråling, også brukt i medisinsk utstyr (oksymeter) og brannalarmer.
Ventil fotoeffekt. Det består i forekomsten av foto-EMF ved grensesnittet av stoffer med forskjellige typer ledningsevne, som et resultat av bærerseparasjon elektrisk ladning elektrisk felt. Den brukes i soldrevet, i selenfotoceller og sensorer som registrerer lysnivåer.
Ekstern fotoeffekt. Som nevnt tidligere, er dette prosessen med at elektroner forlater et stoff i et vakuum under påvirkning av kvanter elektromagnetisk stråling.

Lover ekstern fotoelektrisk effekt.

De ble installert av Philip Lenard og Alexander Grigorievich Stoletov på begynnelsen av 1900-tallet. Disse forskerne målte antall utkastede elektroner og deres hastighet som en funksjon av intensiteten og frekvensen til den påførte strålingen.

Første lov (Stoletovs lov):

Styrken til metningsfotostrømmen er direkte proporsjonal med lysstrømmen, dvs. innfallende stråling på materie.

Teoretisk formulering: Når spenningen mellom elektrodene er null, er ikke fotostrømmen null. Dette forklares av det faktum at etter å ha forlatt metallet, har elektroner kinetisk energi. I nærvær av spenning mellom anoden og katoden øker styrken til fotostrømmen med økende spenning, og ved en viss spenningsverdi når strømmen sin maksimale verdi (metningsfotostrøm). Dette betyr at alle elektronene som sendes ut av katoden hvert sekund under påvirkning av elektromagnetisk stråling, deltar i dannelsen av strøm. Når polariteten snus, synker strømmen og blir snart null. Her jobber elektronet mot det retarderende feltet på grunn av kinetisk energi. Når strålingsintensiteten øker (antallet fotoner øker), øker antallet energikvanter absorbert av metallet, og derfor øker antallet utsendte elektroner. Dette betyr at jo større lysfluks, jo større er metningsfotostrømmen.

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

k - proporsjonalitetskoeffisient. Følsomhet avhenger av metallets natur. Følsomheten til et metall for den fotoelektriske effekten øker med økende lysfrekvens (ettersom bølgelengden avtar).

Denne ordlyden i loven er teknisk. Den er gyldig for vakuum fotovoltaiske enheter.

Antallet utsendte elektroner er direkte proporsjonalt med tettheten til den innfallende fluksen med dens konstante spektrale sammensetning.

Andre lov (Einsteins lov):

Den maksimale begynnelse kinetiske energien til et fotoelektron er proporsjonal med frekvensen til den innfallende strålingsfluksen og avhenger ikke av dens intensitet.

E kē = => ~ hυ

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

For hvert stoff er det en minimumsfrekvens eller maksimal lengde bølge utenfor hvilken det ikke er noen fotoelektrisk effekt.

Denne frekvensen (bølgelengden) kalles den "røde kanten" til den fotoelektriske effekten.

Dermed etablerer han betingelsene for den fotoelektriske effekten for et gitt stoff avhengig av arbeidsfunksjonen til elektronet fra stoffet og energien til de innfallende fotonene.

Hvis fotonenergien er mindre enn arbeidsfunksjonen til elektronet fra stoffet, er det ingen fotoelektrisk effekt. Hvis fotonenergien overstiger arbeidsfunksjonen, går overskuddet etter absorpsjon av fotonet til den innledende kinetiske energien til fotoelektronet.

Bruker den til å forklare lovene for den fotoelektriske effekten.

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten er et spesialtilfelle av loven om bevaring og transformasjon av energi. Han baserte teorien sin på lovene til den fortsatt begynnende kvantefysikken.

Einstein formulerte tre forslag:

Når de samhandler med elektroner av et stoff, absorberes de innfallende fotonene fullstendig.
Ett foton samhandler med bare ett elektron.
Ett absorbert foton bidrar til frigjøring av bare ett fotoelektron med en viss E kē.

Fotonenergien brukes på arbeidsfunksjonen (Aout) til elektronet fra stoffet og på dets begynnende kinetiske energi, som vil være maksimalt dersom elektronet forlater overflaten av stoffet.

E kē = hυ - A utgang

Jo høyere frekvensen av den innfallende strålingen er, desto større energi har fotonene og jo mer (minus arbeidsfunksjonen) gjenstår for den innledende kinetiske energien til fotoelektronene.

Jo mer intens den innfallende strålingen er, jo flere fotoner kommer inn i lysstrømmen og jo flere elektroner kan unnslippe stoffet og delta i dannelsen av fotostrøm. Det er grunnen til at styrken til metningsfotostrømmen er proporsjonal med lysstrømmen (I f us ~ F). Imidlertid er den innledende kinetiske energien ikke avhengig av intensitet, fordi Ett elektron absorberer energien til bare ett foton.

Introduksjon

1. Historie om oppdagelsen av den fotoelektriske effekten

2. Stoletovs lover

3. Einsteins ligning

4. Intern fotoelektrisk effekt

5. Anvendelse av det fotoelektriske effektfenomenet

Bibliografi

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 oppsto en paradoksal situasjon knyttet til bruken av helt motsatte fysiske modeller av bølger og partikler for 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.

1. Historie 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).

Den fotoelektriske effekten ble forklart i 1905 av Albert Einstein (som han mottok Nobelprisen for i 1921) 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:

, 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.

2. Stoletovs lover

I 1898 bestemte Lenard og Thomson, ved å bruke metoden for å avlede ladninger i elektriske og magnetiske felt, 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. Det fulgte at under påvirkning av lys ble elektroner kastet ut fra katodesubstansen.

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

1. Med en konstant spektral sammensetning av 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 lysfrekvensen er mindre enn en viss verdi som er karakteristisk for hvert metall

, kalt den røde kanten.

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. Amplituden til tvangssvingninger kan nå en slik verdi ved hvilken elektroner forlater metallet; da observeres den fotoelektriske effekten.

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 blir bestrålt av en strøm av monokromatisk lys, av potensialforskjellen mellom elektrodene (denne avhengigheten kalles vanligvis volt-ampere-karakteristikken for fotostrømmen), det ble fastslått at: 1) fotostrømmen oppstår ikke bare når

, men også med ; 2) fotostrømmen er forskjellig fra null til en negativ potensialforskjell strengt definert for et gitt metall, 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.

3. Einsteins ligning

Fenomenet med den fotoelektriske effekten og alle dens lover er godt forklart ved å bruke lysets kvanteteori, som bekrefter lysets kvantenatur.

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 lyser ultrafiolette stråler, da 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.

Den grunnleggende målekretsen som den eksterne fotoelektriske effekten ble studert med er 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 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 avhenger 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, den fotoelektriske effekten kan kun forårsakes av synlig og ultrafiolett lys, og for sink - kun av 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, oppstår det en elektrisk strøm i fotocellekretsen, 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 forblir 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 blokkeringslag B, som har portledningsevne: det passerer elektroner bare i retning 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

Effektiviteten til 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. Batterier av silisiumfotoceller, kalt solceller, brukes med hell på sovjetiske romsatellitter og skip for å drive radioutstyr. For dette Totalt areal fotoceller må være store nok. For eksempel på romskip Soyuz-3, overflatearealet til solcellepanelene var 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.

Han la frem en hypotese: lys sendes ut og absorberes i separate deler - kvanter (eller fotoner). Energien til hvert foton bestemmes av formelen E= h ν , Hvor h - Plancks konstant lik 6,63. 10 -34 J. s, ν - frekvens av lys. Plancks hypotese forklarte mange fenomener: spesielt fenomenet den fotoelektriske effekten, oppdaget i 1887 av den tyske forskeren Heinrich Hertz og studert eksperimentelt av den russiske forskeren A.G. Stoletov.

Fotoeffekt — Dette er fenomenet utslipp av elektroner fra et stoff under påvirkning av lys.

Som et resultat av forskning ble tre lover for den fotoelektriske effekten etablert:

1. Styrken til metningsstrømmen er direkte proporsjonal med intensiteten av lysstråling som faller inn på overflaten av kroppen.

2. Den maksimale kinetiske energien til fotoelektroner øker lineært med lysets frekvens og er ikke avhengig av intensiteten.

3. Hvis lysets frekvens er mindre enn en viss minimumsfrekvens bestemt for et gitt stoff, så oppstår ikke den fotoelektriske effekten.

Fotostrømmens avhengighet av spenning er vist i figur 36.

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 et kvantum av lys, tilegner et elektron energi hv. Når man forlater metallet, avtar energien til hvert elektron med en viss mengde, som kalles arbeidsfunksjon(Ah ut). Arbeidsfunksjon er arbeidet som kreves for å fjerne et elektron fra et metall. Den maksimale energien til elektroner etter avgang (hvis det ikke er andre tap) har formen: mv 2 /2 = hv - A utgang, Denne ligningen kalles Einstein-ligningen .

Hvis hν< Men den fotoelektriske effekten oppstår ikke. Midler, rød fotoeffektkant lik ν min = En utgang /t

Enheter basert på prinsippet om den fotoelektriske effekten kalles bildeelementer. 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 kontroll av produksjonsprosesser.

Det er halvlederfotoceller der, under påvirkning av lys, konsentrasjonen av strømbærere endres. De brukes i automatisk kontroll av elektriske kretser (for eksempel i t-baneturstiles), i vekselstrømkretser og som ikke-fornybar strøm. kilder i klokker, mikrokalkulatorer, de første solcellebilene blir testet, og brukes i solbatterier på kunstige jordsatellitter, interplanetære og orbitale automatiske stasjoner.

Fenomenet med den fotoelektriske effekten er assosiert med fotokjemiske prosesser som skjer under påvirkning av lys i fotografiske materialer.

typer fotoelektrisk effekt. Stoletovs lover for den eksterne fotoelektriske effekten. compton effekt

Lignende artikler

Les også