В чем заключается явление внешнего фотоэффекта

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2014

Внешний фотоэффект. Отрыв электронов от атомов под действием падающих фотонов (квантов) света называется фотоэффектом.

Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный. Внешний фотоэлектрический эффект – вырывание электронов из твердых тел и жидкостей под действием электромагнитного излучения был открыт в 1887 году Г. Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана Эйнштейном.

Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация)[1].

Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи).

Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф.Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Экспериментальное изучение фотоэффекта. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис.1. В электрическую сеть включался конденсатор, положительной обкладкой которого была медная сетка С, а отрицательной — цинковая пластина D. Когда от источника света S лучи направлялись на отрицательно заряженную пластину D, в цепи возникал электрический ток. Когда пластина Dзаряжалась положительно, а сетка С отрицательно, гальванометр Gне обнаруживал электрического тока.

Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени:

наиболее эффективное действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

В 1899 г. Ф. Ленард (1862 — 1947, немецкий физик) и У. Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном полях определили удельный заряд частиц, вырываемых светом из катода, доказав, что эти частицы являются электронами. Это было подтверждено в 1922 г. опытами А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова, исследовавшими фотоэффект на микроскопических заряженных металлических пылинках.

Приведенная на рис. 2[7] экспериментальная установка позволяет исследовать вольтамперную характеристику фотоэффекта — зависимость фототока, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностямкатода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис. 3[9]. По мере увеличенияфототок постепенно возрастает, т. е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями[1].

Явление фотоэффекта и его закономерности были объяснены А.Эйнштейном в 1905 г. на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых

Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью c=3∙10 8 м/с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

Законы внешнего фотоэффекта. Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света ν₀ (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν < ν₀ , то фотоэффект уже не происходит.

Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый (h-постоянная Планка). При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл:

где -максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена:

U_з — задерживающее напряжение. В теории Эйнштейна законы фотоэффекта объясняются следующим образом:

Интенсивность света пропорциональна числу фотонов в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла.

Второй закон следует из уравнения:

Из этого же уравнения следует, что фотоэффект возможен лишь в том случае, когда энергия поглощённого фотона превышает работу выхода электрона из металла. Т. е. частота света при этом должна превышать некоторое определённое для каждого вещества значение, равное A>h. Эта минимальная частота определяет красную границу фотоэффекта:

При меньшей частоте света энергии фотона не хватает для совершения электроном работы выхода, и поэтому фотоэффект отсутствует.

Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить и ещё одну закономерность, установленную Столетовым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется.

С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать многофотонные процессы, когда электрон, прежде чем покинуть катод, претерпевал столкновение не с одним, а с несколькими фотонами. В этом случае уравнение фотоэффекта записывается:

чему соответствует красная граница[6].

Кроме того, установлена практическая безинерционностьфотоэффекта: ток немедленно возникает при освещении поверхности тела, при условии, что частота света ν > v₀.Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия, с которой электрон вырывается из металла, должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, «красной границы» фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безинерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.

Подтверждением правильности формулы

является определение из нее постоянной Планка. Из выражения видно, что задерживающая разность потенциалов U_з линейно зависит только от частоты падающего излучения.

Исследуя зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты падающего на фотоэлемент излучения, можно определить постоянную Планка, работу выхода электрона из катода, красную границу для данного фотокатода.

В наиболее точных опытах, проведенных в 1928г. П. И. Лукирским и С.С. Прилежаевым, вакуумная трубка, изображенная на рис. 5, представляла собой сферический конденсатор. Стеклянный шар, посеребренный изнутри, являлся внешней обкладкой конденсатора и играл роль анода А. Катод К имел вид шарика из исследуемого металла.

В этой установке на анод попадают все электроны с такой начальной скоростью υ₀, такчто mυ₀ 2 ³ е|U₀|,где U₀ — задерживающее напряжение. Это повышает точность определения максимальной скорости фотоэлектронов υ₀и позволяет наиболее точно определить постоянную Планка

Среднее значение h, полученное из наиболее точных опытов по внешнему фотоэффекту, оказалось равным 6,543·10 -34 Дж·с. Это согласуется с результатами других методов определения h. Тем самым подтверждается правильность уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и идей Эйнштейна о квантовом характере взаимодействия света с электронами при фотоэффекте.

Последующее изучение свойств света. Блестящим экспериментальным подтверждением идеи Эйнштейна о распространении света в виде потока отдельных фотонов и квантовом характере взаимодействия электромагнитного излучения с веществом явились опыты А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова по изучению фотоэффекта на микроскопических пылинках из висмута[1]. Пылинка уравновешивалась в электрическом поле плоского конденсатора. Одна из пластин конденсатора изготовлялась из тончайшей алюминиевой фольги, которая являлась одновременно антикатодом миниатюрной рентгеновской трубки.

Антикатод бомбардировался ускоренными до 12 кВ фотоэлектронами, испускаемыми катодом при освещении ультрафиолетовым светом. Освещенность катода подбиралась такой слабой, чтобы из него в 1 с вырывалось лишь 1000 фотоэлектронов. Это же означает, что рентгеновское излучение антикатода состояло из отдельных импульсов (1000 импульсов в 1 с). Из опыта следовало, что в среднем через каждые 30 мин уравновешенная пылинка выходила из равновесия, т. е. рентгеновское излучение освобождало из нее фотоэлектрон, приобретающий энергию согласно уравнению Эйнштейна.

В толстой эбонитовой пластинке просверлены отверстия L и R. Через отверстие R из образовавшейся полости откачивался воздух, чтобы полость стала прозрачной для ультрафиолета. Через отверстие L, закрывавшееся кварцевым окошком, проходили ультрафиолетовые лучи, освещавшие конец алюминиевой проволочки К с диаметром 0,2 мм. Образовавшиеся фотоэлектроны ускорялись электрическим напряжением 12 000 В, приложенным между проволочкой и алюминиевой фольгой A, закрывающей полость сверху. Толщина фольги (

5 × 10 -3 мм) подбиралась так, что она практически не поглощала рентгеновские лучи, возбуждавшиеся в ней при торможении электронов. Освещение кончика проволочки К подбиралось настолько слабым, что число фотоэлектронов и связанных с ними рентгеновских импульсов составляло около 1000 в секунду. Алюминиевая фольга одновременно служила нижней обкладкой конденсатора. От нее на расстоянии примерно 0,02 см уравновешивалась висмутовая пылинка W размером около б × 10 -5 см.

Опыты показали, что в среднем раз в 30 минут пылинка выходила из равновесия, т. е. с такой средней частотой рентгеновские лучи вырывали из нее электрон. В течение указанного времени образовывалось около N=30×60×1000 = 1,8 × 10 6 рентгеновских импульсов. По классическим представлениям энергия каждого импульса должна распространяться во все стороны в виде сферической волны. Каждый из таких импульсов отдавал бы пылинке ничтожную часть своей энергии из-за малости телесного угла, под которым пылинка видна из ближайшего места фольги, где возбуждались рентгеновские лучи. Кроме того, эта энергия распределялась бы между множеством электронов пылинки. При таких условиях было бы совершенно невероятно, чтобы в течение 30 минут большая доля энергии электронов пылинки сосредоточилась только на одном электроне, который должен вылететь из пылинки.

Ясно, что с точки зрения классической волновой теории результаты опытов Иоффе и Добронравова непонятны. Напротив, в квантовой теории они вполне естественны.

Таким образом, квантовая теория света полностью объясняет явление внешнего фотоэффекта. Тем самым было получено экспериментальное подтверждение того, что свет помимо волновых свойств обладает также и корпускулярными свойствами.

Литература:

Тюрин Ю.И., Чернов И.П., Крючков Ю.Ю. Физика. Ч.3. Оптика. Квантовая физика (Атомная физика): Учебное пособие – Томск: Изд-во ТГУ, 2005.

Савельев И.В. Курс общей физики, т. 3 Оптика, Атомная физика, Физика атомного ядра и элементарных частиц — М.: Наука, 1970.

Грабовский Р.И. Курс физики – Спб.:Лань, 2005.

Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику: Учеб. пособие для вузов. –М.: Высш. шк., 1987.

Гапонов В.И. Электроника: Учеб. пособие для вузов. – М.: Гос. изд-во физ.-матем. лит., 1960. Ч. 1, 2.

Основные сведения о фотоэффекте как физическом явлении

Фотоэффект — явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передается электронам вещества. Простыми словами, при фотоэффекте падающий свет выбивает электроны из вещества.

В твердых и жидких веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние) фотоэффекты. Существует так же и ядерный фотоэффект. А фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения.

История открытия

Об истории открытия внешнего фотоэффекта

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Генрих Герц был основоположником и первооткрывателем внешнего фотоэффекта. В 1887 году он проводил исследования с открытым резонатором и заметил, что при освещении ультрафиолетом цинкового разрядника (электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электрических сетях и установках), прохождение искры заметно облегчается.

В России физические основы фотоэффекта изучал физик Александр Столетов, в 1888 – 1890 годах он опубликовал шесть работ в этой тематике. Столетов был первым физиком, который вывел закон внешнего фотоэффекта. В своих исследованиях он вплотную подошел к выводу о существовании красной границы фотоэффекта.

Позже, в 1891 году немецкие физики-экспериментаторы Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным.

В 1898 году английский физик Томсон с помощью экспериментов выяснил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещенности понимают как увеличение количества выбитых электронов с ростом освещенности.

Немецкий физик Филипп Ленард в 1900 — 1902 годах продолжал исследования предшественников. Ему стало понятно что, энергия вылетающего электрона всегда связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

Используя свои исследования и результаты исследований других физиков-экспериментаторов (в особенности гипотезу о квантовой природе света Макса Планка), Альберт Эйнштейн дал окончательное объяснение и определение явлению фотоэффекта в 1905 году. За что в 1921 году он получил Нобелевскую премию.

В работе Эйнштейна содержалась новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций.

В 1906 — 1915 годах фотоэффект заинтересовал Роберта Милликена. Он установил точную зависимость запирающего напряжения от частоты и на его основании смог вычислить постоянную Планка. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики за исследования элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта.

«Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г., — писал Милликен, — и вопреки всем моим ожиданиям я вынужден был в 1915 г. безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность, так как казалось, что оно противоречит всему, что мы знаем об интерференции света»

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах, фотоумножителях, в видиконах (трубки телекамер и видеокамер).

Об истории открытия внутреннего фотоэффекта

В 1839 году Александр Беккерель зарегистрировал фотовольтаический эффект в электролите. А в 1873 году Уиллоуби Смиту удалось выяснить, что селен является фотопроводящим.

Внутренний фотоэффект — явление возрастания электропроводности и уменьшения сопротивления, вызванное облучением. В условиях внутреннего фотоэффекта под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням в диэлектриках и полупроводниках (исключением являются металлы). Такое явление называется фотопроводимостью.

Ядерный фотоэффект

Ядро при поглощении гамма-кванта получает избыток энергии и становится составным ядром. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведет к ядерным реакциям, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Основные законы фотоэффекта

Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

hv = Aвых + EК,

где h ― постоянная Планка (6,6 ∙ 10-34 Дж∙с);

v ― частота света, Гц;

Aвых ― работа выхода, Дж;

EК ― кинетическая энергия фотона, Дж.

Процесс фотоэффекта происходит со скоростью света. Работа выхода напрямую зависит от состава материала и его поверхности, но не зависит от частоты и интенсивности света.

Первый закон фотоэффекта (закон Столетова): сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения. Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте). Следовательно, чем больше энергии несет излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Краткая формулировка третьего закона фотоэффекта: абсолютно для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая ей длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Применение фотоэффекта

Фотоэффект нашел широкое практическое применение в медицине, технике и других сферах. Превращение света в электрический ток используется для передачи изображения на огромные расстояния. Это используется в телевидении.

Фотоэлементы применяют при считывании информации с оптических дисков. Их же применяют, например, в солнечных батареях для получения электроэнергии. Недавно фотоэффект начали применять в уличном освещении, специальные фотоэлементы сами распознают, когда нужно включить или выключить освещение. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях.

Использование фотоэффекта в медицине при рентгеновских исследованиях (в электронно-оптическом преобразователе) для усиления яркости изображения помогает уменьшить дозу облучения человека.

Внутреннему фотоэффекту нашлось применение в категориях устройств, преобразующих световую энергию в электрическую или изменяющих свои свойства под действием падающего света: фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фотомикросхемы.

Явление внешнего фотоэффекта

Явление световой ионизации возникает, когда материал подвергается воздействию света, который может вызвать высвобождение электронов из материала. Это может привести к образованию ионов, которые могут создать разность потенциалов в материале. Явление световой ионизации чаще всего встречается в полупроводниках и изоляторах, но оно также может происходить и в других типах материалов, если они подвергаются воздействию достаточно интенсивного источника света.

1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.

Явления, при которых происходит освобождение электронов под действием света, называются фотоэффектом.

Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и называется фотоионизацией.В твёрдых и жидких телах различаютвнешний ивнутреннийфотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом (наружу) под действием света.

Внутренним фотоэффектом называетсяперераспределение электронов по энергетическим состояниямв полупроводниках и диэлектриках под действием света. В результате внутреннего фотоэффекта увеличивается концентрация носителей тока в веществе. Возникает фотопроводимость – увеличение электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении.

Вентильным фотоэффектом называется возникновение ЭДС при освещении p-n-перехода  .

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем. Его фундаментальные исследования были проведены в 1888-1889 г. И.Столетовым.

Схема установки для наблюдения внешнего фотоэффекта имеет следующий вид, приведённый на рисунке 1.4 .

В вакуумной трубке помещены катод К(фотокатод) и анодА. Свет через кварцевое окно падает на поверхность катода. Между фотокатодом и анодом приложена разность потенциалов, измеряемая вольтметромV. Разность потенциалов можно изменять с помощью делителя напряженияR. Ток в цепи измеряется гальванометромG.

Зависимость фототока от разности потенциалов между катодом и анодом при освещении катода монохроматическим светом называется вольт-амперной характеристикой. Она имеет вид, приведенный на рисунке 1. Отметим основные особенности и проведем анализ этой зависимости.

1.При разности потенциалов между катодом и анодомU=0фототок не равен нулю. Это означает, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжениеU₀.

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов связана с задерживающим напряжением соотношением:

. (1.34)

Здесь e и m– заряд и масса электрона.

2. При увеличении разности потенциалов Uфототок достигает значенияi_н (фототок насыщения). Это значит, что все вылетающие из катода электроны попадают на анод. Пустьn— число электронов, вылетающих из катода в 1секунду. Тогда

Рассмотрим законы внешнего фотоэффекта:

Закон Столетова. При неизменном спектральном составе излучения, попадающего на катод, фототок насыщения пропорционален световому потоку:

.

(Это означает, что число электронов )

Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты падающего измерения и не зависит от его интенсивности.

Для каждого фотокатода существует «красная граница» внешнего фотоэффекта, т.е. минимальная частота , (или максимальная длина волны излучения) при которой ещё возможен фотоэффект. Частота зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Явление внешнего фотоэффекта нельзя объяснить на основе классической волновой теорией света. Действительно, по волновой теории вырывание электронов из вещества происходит в результате их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны. Чем больше интенсивность волны (или больше амплитуда), тем больше должна быть скорость фотоэлектронов. Этот вывод противоречит 2 и 3 законам фотоэффекта.

Все закономерности фотоэффекта успешно объясняются квантовой теорией. При поглощении света веществом каждый поглощённый фотон передаёт свою энергию частице вещества. При внешнем фотоэффекте закон сохранения энергии имеет вид:

. (1.35)

Здесь hv — энергия фотона;— работа выхода электрона с поверхности вещества;— работа по преодолению сил сопротивления при выходе электрона на поверхность;— кинетическая энергия электрона.

Если =0(электрон выходит с поверхности), то

. (1.36)

Уравнение (1.36) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют второй и третий законы фотоэффекта:

. (1.37)

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты по линейному закону. Она обращается в нуль при частоте , соответствующей красной границе фотоэффекта:

. (1.38)

Следовательно, красная граница зависит только от работы выхода электрона из вещества.