Фотоэффект

Лекция № 11. Семестр 2.

1. Виды фотоэффекта. Закономерности фотоэффекта, установленные Столетовым.

2. Вольтамперная характеристика фотоэффекта.

3. Законы внешнего фотоэффекта.

4. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

5. Применение фотоэффекта (с/р)

1 Последовательное решение проблемы теплового излучения абсолютно черного тела оказалась возможной лишь после того, как М. Планк отказался от классических представлений о непрерывном процессе излучения энергии атомом- осциллятором. Квантовая гипотеза Планка привела в дальнейшем к представлению о том, что свет испускается и поглощается отдельными порциями – квантами. Эта гипотеза нашла свое подтверждение и развитие при объяснение фотоэффекта.

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный.

1. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитные излучаемые переходы электронов внутри проводника или диэлектрика из связанных состояний в свободное без вылета наружу.

В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению ЭДС.

2. Вентильный фотоэффект – разновидность внутреннего фотоэффекта - возникшее фото ЭДС при освещении контакта 2-х разных полупроводников или полупроводника или металла (при отсутствии внешнего электрического поля).

3. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения или иначе: явление вырывания элементов из твердых и жидких веществ под давление света.

Ионизация атомов или молекул газа под давление света называется фотоионизацией.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены А. Столетовым. Он установил следующие закономерности:

1. Наибольший эффект давление оказывает ультрафиолетовое излучение.

2. Под действием света вещество теряет только отрицательные заряды.

3. Сила тока, возникшая под действием света пропорциональна его интенсивности.

2. Экспериментальные исследования внешнего фотоэффекта у металлов показали, что это явление зависит не только от химической природы металла, но и от состояния его поверхности. Даже ничтожное загрязнение поверхности существенно влияет на эмиссию элементов под действием света. Поэтому для изучения фотоэффекта пользуются вакуумной трубкой.

Рис.1.	Диод состоит из: 1.Катода, 2.анода,
3. стеклянного баллона, из которого
выкачан воздух (вакуумная трубка).
Катод, покрытый исследуемым
Металлом, освещается монохрома-
тическим светом. Напряжение между
катодом и анодом регулируется

(изменяются значение и знак напряжения U). Фототок измеряется миллиамперметром.

Uз Рис.2	На рис.2, изображены
кривые зависимости
силы фототока I
от напря жения U
соответствующие двум
различным энергетическим
освещенностям катода:
E2 > E1. Частота света в обоих слу-
чаях одинакова.

Существование фототока в области отрицательного напряжения от 0 до U₀ объясняется тем, что фотоэлектроны, выбитые из катода, обладают отличной от нуля кинетической энергией за счет которой они могут совершить работу против сил задерживающего электрического поля в трубке и достигать анода.

Для того, чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить задерживающее напряжению U₀. При этом напряжении ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной. скоростью V_max не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода Þ mV²_max/2 = eU₀

Т.е., измерив задержание напряжения U₀, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотонов.

По мере увеличения напряжения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Максимальное значение тока I_н называется фототоком насыщения и соответствует таким значениям напряжения, при которых все электроны, выбитые из катода достигают анода:

I_H = en, где n - число фотоэлектронов вылетающих из катода за 1 с.

3. Опытным путем установлены следующие основные законы фотоэффекта внешнего:

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяются частотой света и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, при которой еще возможен внешний фотоэффект, ν₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

3. Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени пропорционально интенсивности света. (Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода I_H ~ E).

Опыты показали, что фотоэффект практически безинерционен. Фотоэффект не объясним с точки зрения волновой теории света.

4. А. Эйнштейн в 1905г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены с точки зрения предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет с частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяются в пространстве и поглощаются веществом отдельными порциями (квантами)

Энергия одного кванта равна ε₀ = hν. Таким образом, распространение света нужно рассматривать ни как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в производстве дискретных световых квантов, движущихсяся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения назвали фотонами.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается одним электроном число вырванных фотоэлектронов пропорционально интенсивности света (III закон фотоэффекта.) Безинерционность фотоэффекта объясняется тем, что передачи энергии при столкновении электрона с фотоном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии. Þ по закону сохранения энергии:

hν = А_в + …(8.2) Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить 1-й и 2-й законы фотоэффекта. Из формулы видно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (1-ый зак.). Т.к. с уменьшением частоты света Е_кин. фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А_вых = const), то при некоторой достаточно малой частоте ν = ν₀ кинетическая энергия фотоэлектронов станет = 0 и фотоэффект прекратится (2-ой зак.). (8.3) - Это и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит от работы выхода электрона, т.е. от хим. природы вещества и состояния его поверхности.

Уравнение Эйнштейна может быть выражено (8.4)

(8.5)

Если интенсивность света очень большая (лазерный пучок), то возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором фотоэлектрон может одновременно получить энергию не от 1-го, а от N фотонов (N = 2¸ 7). Тогда уравнение Эйнштейна примет вид:

….(8.6)

5. Применение фотоэффекта (С/Р).

Явление фотоэффекта широко используется в работе многих механизмов и устройств на производстве, а также окружающих нас в повседневной жизни. Чтобы реагировать на свет они содержат фотоэлементы – электронные приборы, в которых энергия падающего света преобразуется в ЭДС (фотоЭДС) или электрический ток (фототок).

Вакуумный фотоэлемент представляет собой электровакуумный прибор, внутри которого находятся два электрода – анод А и катод К (рис. 32 а). Свет, падающий на катод, вырывает из его поверхности электроны, что приводит к увеличению тока, протекающего в цепи и напряжения на резисторе R. Изменение тока, текущего через фотоэлемент при его освещении можно использовать для включения и выключения различных устройств. Чтобы увеличить чувствительность фотоэлемента, поверхность его катода покрывают веществом с малой работой выхода.

Поглощение электромагнитного излучения в полупроводниках приводит к росту их электрической проводимости. Это явление, называемое внутренним фотоэффектом, используется при изготовлении фоторезисторов, сопротивление которых может уменьшаться в сотни и тысячи раз при их освещении. Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные фотоэлементы. Фоторезисторы незаменимы в автоматах для сортировки, счета и контроля качества готовой продукции. Они используются в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты и контроле за количеством листов. Фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль за задымленностью различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене - вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов.

Солнечная батарея (или батарея солнечных элементов) является полупроводниковым источником тока, непосредственно преобразующим энергию солнечного излучения вэлектрическую. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта в области p-n перехода двух полупроводников (рис. 32 б). Под действием света по обе стороны от p-n перехода растёт концентрация электронов и дырок. При этом электрическое поле в области p-n перехода перемещает электроны из полупроводника p -типа в полупроводник n -типа, а дырки – в противоположном направлении. В результате, увеличивается разность потенциалов между этими полупроводниками, причём полупроводник p -типа становится ещё более электроположительным, и в цепи появляется ток (см. рис. 32 б). ЭДС, возникающую в области p-n перехода под действием света, называют фотоЭДС.

Чаще всего материалом для солнечных элементов служит Si или GaAs. Солнечные батареи обычно выполняют в виде плоской панели из солнечных элементов, защищённых прозрачными покрытиями. КПД солнечных элементов может достигать 20%. Как известно, плотность потока солнечного излучения в безоблачный день вблизи экватора составляет около 1000 Вт/м². Поэтому мощность тока, которую можно получить с помощью солнечной батареи, площадь панелей которой равна 1 м², не превышает 200 Вт. Чтобы солнечная батарея имела мощность, достаточную для снабжения электроэнергией семьи из нескольких человек, площадь её панелей должна составлять 10-20 м². Солнечные батареи находят своё применение не только на Земле, но и в космосе, где служат основным источником энергии для аппаратуры и системы жизнеобеспечения спутников и межпланетных кораблей.

Дата добавления: 2014-01-07