Фотоефект. Ефект Комптона

Квантова физика

Фотоелектричним ефектом або фотоефектом називається виривання електронів з речовини під дією світла. Це явище було виявлено Г. Герцем у 1887 р., який помітив, що при освітленні негативного електрода іскрового розрядника ультрафіолетовими променями розряд відбувається при меншій напрузі між електродами ніж без такого освітлення. Фотоефект як самостійне фізичне явище детально вивчав у 1888-1890 роках О.Г. Столєтов. Схему дослідів Столєтова зображено на рис. 1.1.

Плоский конденсатор, однією з пластин якого була мідна сітка С, а другою – цинкова пластина П, було увімкнено через гальванометр Г до акумуляторної батареї. При освітленні негативно зарядженої пластини у колі виникав електричний струм, який називається фотострумом. На основі своїх дослідів Столєтов зробив такі висновки: 1) найбільшу дію проявляють ультрафіолетові промені;

2) сила фотоструму зростає пропорційно освітленості пластини;

3) під дією світла метал втрачає негативно заряджені частинки.

Експериментальні дослідження фотоефекту в металах показали, що це явище залежить не лише від хімічної природи металу, а і від стану його поверхні. Дуже малі забруднення поверхні металу значною мірою впливають на емісію електронів під дією світла. Тому для вивчення фотоефекту користуються вакуумною трубкою, схема якої зображена на рис. 1.2. Сучасне відношення до цього ефекту таке:

Фотоелектричний ефект (фотоефект): переход електронів речовини в новий енергетичний стан під дією електромагнітного випромінювання.

Фотоефект поділяється на зовнішній, внутрішній і вентильний.

Внутрішній фотоефект - це викликані електромагнітним випромінюванням переходи електронів усередині напівпровідника або діелектрика зі зв'язаних станів у вільні без вильоту назовні. У результаті концентрація носіїв струму усередині тіла збільшується, що приводить до виникнення фотопровідності - підвищенню електропровідності напівпровідника або діелектрика при його освітленні.

Вентильний фотоефект (різновид внутрішнього фотоефекта) - виникнення ЕРС (фото- ЕРС) при освітленні контакту двох різних напівпровідників або напівпровідника й металу (при відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект використовується в сонячних батареях для прямого перетворення сонячної енергії в електричну.

Зовнішній фотоефект (фотоелектронна емісія) – виривання електронів з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання.

На рис. 1.2 показана схема установки для вивчення зовнішнього фотоефекту в металах.

Світло падає скрізь вікно на поверхню фотокатода К, який розміщується в середині вакуумованої трубки. Залежність фотоструму І в трубці від різниці потенціалів U анода А і катода К при постійній енергетичній освітленості Е _е катода монохроматичним світлом зображено на рис. 1.3.

При U = U _о жоден з електронів не може подолати затримуючого поля й досягтися анода.

Існування фотоструму при негативних значеннях U від 0 до – U _о свідчить, що фотоелектрони мають початкову швидкість, коли виходять з катоду. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів зв’язана з гальмуючим потенціалом U _о співвідношенням:

, (1.1)

де е і m – абсолютна величина заряду і маса електрона.

Фотострум збільшується зі зростанням U лише до граничного значення І _н, який називається фотострумом насичення. При фотострумі насичення всі електрони, які вилітають з катода під дією світла, досягають анода. Тобто,

,

де – кількість фотоелектронів за 1 с, які залишають катод.

Закони зовнішнього фотоефекту:

1. Закон Столетова: при незмінному спектральному складі світла фотострум насичення пропорційний енергетичній освітленості фотокатода: І _н ~ Е _е і ~ Е _е.

2. Для даного фотокатода максимальна початкова швидкість фотоелектронів залежить від частоти світла і не залежить від його інтенсивності.

3. Для кожного фотокатода існує червона границя зовнішнього фотоефекту, яка визначається мінімальною частотою світла , при якій ще можливе існування зовнішнього фотоефекту.

Дата добавления: 2014-01-07