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:

1. наиболее эффективное действие оказывают ультрафиолетовые лучи;
2. под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;
3. 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:

1. Тюрин Ю.И., Чернов И.П., Крючков Ю.Ю. Физика. Ч.3. Оптика. Квантовая физика (Атомная физика): Учебное пособие – Томск: Изд-во ТГУ, 2005.
2. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 3 Оптика, Атомная физика, Физика атомного ядра и элементарных частиц — М.: Наука, 1970.
3. Грабовский Р.И. Курс физики – Спб.:Лань, 2005.
4. Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику: Учеб. пособие для вузов. –М.: Высш. шк., 1987.
5. Гапонов В.И. Электроника: Учеб. пособие для вузов. – М.: Гос. изд-во физ.-матем. лит., 1960. Ч. 1, 2.
6. Дягилев Ф.М. Квантовая механика. – М.: Просвещение, 1986.
7. http://www.physics.ru/
8. http://www.mgul.ac.ru/
9. http://e-science.ru/

§ 27. Фотоэффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта. Квантовая гипотеза Планка

Изучение взаимодействия света с веществом привело к открытию эффектов, которые позволили сделать важный шаг к пониманию природы света. В дальнейшем использование этих эффектов позволило создать новое поколение электронных приборов и устройств. Какие же основные закономерности взаимодействия света с веществом?

Сила тока I — скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δ q, прошедшего за промежуток времени Δ t через поперечное сечение проводника, к этому промежутку:

Наше зрительное восприятие физических явлений в окружающем мире определяется взаимодействием света с веществом. Воздействие света на вещество состоит в поглощении им световой энергии, приносимой излучением, т.е. первичным процессом является поглощение света. Такое взаимодействие, например, в сетчатке глаза приводит к зрительным ощущениям.

При падении света на поверхность непрозрачного предмета часть излучения проникает в него и поглощается, другая часть отражается от поверхности, и мы видим предмет в отраженном свете. Более темные поверхности поглощают свет сильнее, чем более светлые. Доля отраженного от поверхности света зависит от длины волны.

Для прозрачной среды, например, стекла при падении на него световой волны главным результатом взаимодействия является ее отражение и преломление, а поглощением электромагнитной энергии в видимом диапазоне можно пренебречь. Именно поэтому среда и воспринимается зрительно как прозрачная.

Мы видим не только тела, которые отражают или рассеивают свет, но и тела, которые светятся сами, например Солнце, звезды, пламя. Электромагнитное излучение испускают все тела, причем его интенсивность зависит от температуры их поверхности. В видимом диапазоне спектра излучение достаточной интенсивности, позволяющее видеть предмет, возникает, если температура поверхности предмета намного больше комнатной.

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом приводит и к другим физическим явлениям, изучение которых помогло выяснить природу света.

В 1887 г . Генрих Герц обнаружил, что пробой воздушного промежутка между электродами искрового разрядника происходит при меньшем напряжении, если освещать отрицательно заряженный электрод ультрафиолетовым излучением. Дальнейшие эксперименты показали, что отрицательно заряженная цинковая пластинка при облучении ультрафиолетовым излучением (рис. 171, а) разряжается. Оба эти явления можно объяснить, предполагая, что под действием падающего излучения из металла вылетают отрицательно заряженные частицы — электроны (рис. 171, б). Это явление получило название фотоэффекта.

Фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества.

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним фотоэффектом. При внутреннем фотоэффекте часть электронов, находящихся в веществе в связанном состоянии, переходит в свободное состояние, увеличивая концентрацию свободных носителей тока. Это приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. Испускание веществом каких-либо частиц называется эмиссией. Поэтому внешний фотоэффект называют также фотоэлектронной эмиссией (фотоэмиссией).

(фотос) по-гречески означает «свет»

Систематическое изучение фотоэффекта было проведено в 1888—1889 гг. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для экспериментального изучения внешнего фотоэффекта представлена на рис. 172, а.

В экспериментах Столетова в электрическую цепь были включены два электрода (2) и (3), один из которых (2) был изготовлен из медной сетки, а (3) — представлял собой цинковую пластинку. Медная сетка была заряжена положительно, а цинковая пластинка — отрицательно.

Наблюдения показали, что под действием падающего ультрафиолетового излучения в цепи возникает электрический ток. Этот ток называется фототоком.

Изменяя напряжение U между пластинами A и B с помощью реостата (рис. 172, б), Столетов исследовал зависимость силы фототока I_ф от напряжения U (вольтамперную характеристику). Как видно из представленной на рис. 172, в зависимости даже при отсутствии разности потенциалов между пластинами в цепи проходит фототок. Так как скорости электронов, испускаемых катодом, различны как по модулю, так и по направлению, то не все они при малых значениях напряжения могут достигнуть анода.

При увеличении напряжения между электродами сила фототока возрастает до некоторого максимального значения I_н (см. рис. 172, в), называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, испускаемые катодом за единицу времени, достигают анода. Вот почему дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту силы фототока. Изменение полярности напряжения приводит к исчезновению фототока при напряжении U_з, которое называется задерживающим напряжением (см.рис. 172, в).

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при их облучении видимым светом.

Экспериментально установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения I_н прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения (первый закон фотоэффекта). Вольтамперная характеристика фотоэффекта показана на рис. 172, в и 173, а. Зависимость фототока насыщения от интенсивности падающего излучения показана на рис. 173, б. Так как график выходит из начала координат, то сила фототока насыщения равна нулю (I = 0) только при отсутствии излучения. Иными словами, фотоэффект наблюдается даже при малых значениях интенсивности падающего излучения.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты ν падающего излучения (второй закон фотоэффекта). Подчеркнем, что кинетическая энергия E_k фотоэлектронов, вылетающих из фотокатода, изменяется в некотором диапазоне , так как фотоэлектроны часть своей энергии, полученной от падающего излучения, передают частицам вещества до вылета с его поверхности. На рисунке 174 представлена зависимость от частоты падающего излучения.

3. Для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не может вырывать электроны из его поверхности (третий закон фотоэффекта). Эта минимальная частота ν_min называется красной границей фотоэффекта. Такое название связано с тем, что минимальной частотой излучения в видимом диапазоне обладает излучение, соответствующее красному цвету. Заметим, что красная граница фотоэффекта для различных веществ совсем не обязательно соответствует красному цвету. Например, для рубидия она соответствует желтому цвету, для кальция — синему, а для некоторых веществ может вообще находиться как в инфракрасной, так и в ультрафиолетовой областях спектра.

На рисунке 175 приведены экспериментальные зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего излучения для цезия (Cs) , рубидия (Rb), магния (Mg) и серебра (Ag) . Как видно из рисунка 175 экспериментальные прямые параллельны друг другу, причем точки пересечения графиков с осью абсцисс (частот) определяют красные границы фотоэффекта для каждого из них.

При частотах больших ν_min излучение даже очень малой интенсивности вызывает фотоэффект. Кроме того, между моментом включения источника излучения и моментом вылета электронов из образца фактически нет задержки во времени: электроны вылетают из вещества через промежуток времени порядка после начала облучения, т.е. практически мгновенно.

Следует заметить, что во время исследования фотоэффекта Столетовым еще ничего не было известно об электроне, который будет открыты Джозефом Джоном Томсоном только в 1897 г .

Подчеркнем, что установленные экспериментально законы фотоэффекта невозможно объяснить на основе представлений о том, что свет — это электромагнитная волна. На основе этих представлений можно объяснить только первый из приведенных экспериментальных законов фотоэффекта: чем больше энергия падающего света, тем больше электронов вылетает из вещества. Объяснить же 2-й и 3-й законы фотоэффекта в рамках классической теории излучения не представляется возможным.

Так, например, непонятно, почему максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения. Невозможно также объяснить существование красной границы фотоэффекта. Действительно, даже при малой частоте падающего излучения, но при длительном воздействии электромагнитной волны на электрон ему можно сообщить энергию, необходимую для вылета из вещества. Следовательно, исходя из волновых представлений, красная граница фотоэффекта не должна существовать. Все эти противоречия были сняты квантовой теорией.

Квантовые представления были впервые введены немецким физиком Максом Планком. Он сделал фундаментальное предположение, что излучение и поглощение электромагнитных волн атомами и молекулами происходит не непрерывно, а отдельными порциями энергии — квантами. Соответственно, под квантом следует понимать минимальную порцию излучаемой или поглощаемой энергии. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения

где h — коэффициент пропорциональности, который называют постоянной Планка. Это — фундаментальная постоянная.

16 ноября 2018 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов значение постоянной Планка было принято равным

Приближенное значение постоянной Планка, применяемое при решении задач

Энергия любой колебательной системы (атома, молекулы), совершающей колебания с частотой , может принимать лишь определенные дискретные значения, отличающиеся на целое число элементарных порций — квантов энергии:

где n — целое положительное число.

Следовательно, атом (молекула) может обладать не любой энергией, а лишь энергией кратной . Таким образом, впервые в физике появилась идея о квантовании энергии.

14 декабря 1900 г . Планк доложил свои результаты на заседании Немецкого физического общества, который и считают днем рождения квантовых представлений. Появился квант энергии как дискретная порция энергии. Планк относил дискретность энергии к свойствам вещества, а излучение рассматривалось как электромагнитные волны.

После выдвижения гипотезы Планка (1900 г.) началось интенсивное развитие квантовых представлений в физике, которые к 1925—1928 гг. превратились в стройную и логичную квантовую теорию, открывшую «новую эру» в развитии физики.

В 1898 г . немецкий физик Филипп Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон определили отношение заряда q частицы, вылетающей с поверхности металла при фотоэффекте, к ее массе m (так называемый удельный заряд — ) по ее отклонению в электрическом и магнитном полях. Эти измерения дали то же значение, что и отношение заряда электрона к его массе . Таким образом, было доказано, что выбиваемые светом заряженные частицы — электроны.

Слово квант происходит от латинского слова quantum — «сколько» или «как много». Вообще, это слово обозначает часть, долю или неделимую порцию. Планк поэтически назвал новую фундаментальную постоянную h — «таинственным послом из реального мира».

За работы по определению удельного заряда электрона , которые привели к открытию первой элементарной частицы — электрона, Дж. Дж. Томсон в 1906 г . был удостоен Нобелевской премии по физике.

В 1918 г. Макс Планк был удостоен Нобелевской премии « …в знак признания услуг, которые он оказал физике своим открытием квантов энергии».

Вопросы к параграфу

1. В чем состоит сущность явления внешнего фотоэффекта? Внутреннего фотоэффекта?
2. Когда и кем было открыто явление внешнего фотоэффекта?
3. Нарисуйте схему экспериментальной установки Столетова и объясните суть проделанных им экспериментов.
4. Объясните особенности вольтамперной характеристики фотоэффекта.
5. Сформулируйте экспериментальные законы фотоэффекта. Какие их них невозможно объяснить с точки зрения волновой теории света?
6. В чем заключается гипотеза Планка?
7. Запишите приближенное значение постоянной Планка.
8. Используя закономерности явления резонанса, объясните, почему согласно волновой теории света увеличение (уменьшение) частоты падающего излучения должно приводить к увеличению (уменьшению) силы фототока.

Внешний фотоэффект

Явление фотоэффекта, нашедшее широкое применение в современном мире, — это выбивание электронов из атомов вещества при воздействии на них электромагнитного излучения. Существует внутренний и внешний фотоэффект, в статье пойдет речь о внешнем.

Фотоэффект как явление

В последней трети XIX в. немецкий физик Г. Герц проводил исследования искрового пробоя в газе и обнаружил, что напряжение, необходимое для искрового пробоя, значительно понижается, если искровой промежуток облучать УФ-излучением.

Объяснить открытое явление удалось позже, когда был открыт электрон и установили, что электроны входят в состав атомов, а электрический ток является потоком электронов.

Под действием облучения электроны покидают вещество. А оказавшись в газовой среде, под действием электрического поля искрового промежутка они разгоняются, выбивают из молекул газа новые электроны. Процесс нарастает лавинообразно, возникает искровой разряд.

Явление, при котором электроны покидают атомные оболочки и выходят из вещества, называется внешним фотоэффектом. Существует также внутренний фотоэффект, при котором электроны остаются в веществе.

Исследования внешнего фотоэффекта

Наиболее глубокие исследования внешнего фотоэффекта провел в концe XIX в. русский физик А. Столетов.

Для исследований использовалась следующая установка:

В колбе с вакуумом имеются два электрода. Напряжение между электродами можно менять. Для определения тока между электродами использовался амперметр.

При облучении катода УФ-излучением амперметр начинает фиксировать фототок даже при нулевом напряжении между электродами. Это происходит потому, что в результате внешнего фотоэффекта электроны выходят из катода и летят во всех направлениях. Часть из них достигает анода, в цепи возникает ток.

Меняя напряжение между электродами, А. Столетов вывел два закона.

• Если напряжение увеличивать, то все большее число электронов будет достигать анода. Фототок будет расти, пока не достигнет насыщения (в этот момент все электроны будут достигать анода). Более интенсивное облучение выбьет больше электронов, поэтому значение фототока насыщения зависит от интенсивности облучения. То есть первый закон фотоэффекта Столетова гласит, что фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод.
• Если напряжение уменьшать, то оно будет тормозить электроны, долетающие до анода. Следовательно, можно оценить кинетическую энергию фотоэлектронов. Было логично предположить, что эта энергия также пропорциональна мощности облучения. Однако опыт показал, что это не так. Кинетическая энергия фотоэлектронов зависела только от частоты облучения. Это и установил второй закон Столетова.

Необъяснимым стал тот факт, что при некоторой минимальной частоте облучения фотоэффект резко исчезал. Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта». Третий закон Столетова устанавливает существование этой границы, которая специфична для разных веществ.

Уравнение фотоэффекта

Объяснить второй и третий законы Столетова с точки зрения классической электродинамики не представлялось возможным. Для их объяснения в 1905 г. А. Эйнштейн допустил, что свет существует только в виде порций-квантов (фотонов). Фотон может быть излучен или поглощен только целиком. А энергия фотона равна ($h$ — постоянная Планка):

Эта энергия будет потрачена на разрыв связей между электроном и атомом, специфичную для каждого вещества (работа выхода $A$). Если энергия фотона будет больше, остаток энергии перейдет в кинетическую энергию электрона.

Таким образом, уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта выглядит следующим образом:

Эта формула объяснила второй и третий законы Столетова.

Что мы узнали?

Внешний фотоэффект — это выбивание электронов из атомов вещества при облучении их светом, при котором электроны покидают вещество. Три закона фотоэффекта были открыты А. Столетовым, два из них получили объяснение в рамках квантовой теории фотоэффекта А. Эйнштейна.

Фотоэффект, виды, свойства и принцип работы

«Фотоэффект — это процесс, при котором фотон (частица света) взаимодействует с электроном в материале и выбивает его из материала, превращая в свободный электрон. Этот процесс происходит в материалах, которые имеют достаточно высокую энергию электронов, чтобы они могли поглощать фотоны. «

Содержание:

1. История открытия

2. Теория фотоэффекта

• Внешний
• Внутренний
• Термоэффект
• Фотолюминесценция
• Фотоактивация

5. Принцип работы

История открытия

Фотоэффект — одно из наиболее значимых открытий в области физики, которое произошло в конце XIX века. Фотоэффект был открыт в 1887 году А.Г. Столетовым, который исследовал свойства катода и анода в вакуумной трубке.

В своей работе ученый обнаружил, что при подаче на катод и анод электрического напряжения, катод испускает электроны, которые затем попадают на анод.

Однако, при увеличении напряжения, электроны начали проходить через пространство между катодом и анодом. Это явление было названо фотоэффектом.

Открытие имело огромное значение для развития науки и техники. Оно привело к созданию первых фотоэлементов и фотодиодов, которые использовались в различных областях, таких как фотография, радиосвязь, электроника и многие другие.

Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет не только излучается и поглощается, но и может быть преломлен, отражен и даже поглощен отдельными атомами. Он предположил, что фотоэффект является результатом поглощения атомом одного фотона света, что приводит к выбросу электрона из атома.

На основе своей теории фотоэффекта, Эйнштейн смог объяснить некоторые экспериментальные наблюдения, в том числе прямую зависимость между интенсивностью света и количеством испускаемых электронов, а также наличие “красной границы” (минимальной частоты света), при которой фотоэффект уже не может происходить.

В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою знаменитую работу “К электродинамике движущихся тел”, в которой он сформулировал свою теорию фотоэффекта и объяснил его основные закономерности. Эта работа стала основой для развития квантовой механики и квантовой теории света.

Кроме того, он стал основой для создания новых технологий, таких как лазеры и светодиоды. Сегодня продолжает играть важную роль в науке и технологии, и его изучение продолжается до сих пор.

Теория фотоэффекта

Фотоэффект — это процесс, при котором свет с определенной длиной волны выбивает электроны из атомов или молекул вещества. Теория фотоэффекта описывает этот процесс и объясняет, как он происходит и какие факторы на него влияют.

Согласно теории, свет, падающий на поверхность вещества, может вызывать несколько процессов:

Фотоионизация

Поглощение света веществом с образованием свободных электронов и положительных ионов. Этот процесс происходит, когда свет имеет достаточно высокую энергию, чтобы разорвать связи между атомами или молекулами вещества.

Фотоэлектрическое поглощение

Поглощение фотонов светом, в результате которого электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс наблюдается, когда энергия фотона соответствует разности энергий между двумя зонами.

Электронная эмиссия

Испускание электронов из вещества, когда фотон вызывает ионизацию атома или молекулы, в результате чего один из электронов переходит на более высокий энергетический уровень, а другой остается в состоянии с низкой энергией и испускается из вещества.

Факторы влияния на фотоэффект:

• Энергия фотона — чем выше энергия, тем больше вероятность того, что он вызовет фотоионизацию или фотоэлектрическое поглощение.
• Работа выхода — это энергия, необходимая для удаления электрона из вещества. Чем меньше работа выхода, тем легче фотоэффект.
• Температура — при повышении температуры вероятность фотоионизации или фотоэлектрического поглощения увеличивается.
• Давление — при увеличении давления вероятность фотоионизации увеличивается.

Виды фотоэффекта

Существует несколько видов фотоэффекта, в зависимости от типа используемого излучения и материала, в котором происходит процесс. Некоторые из наиболее распространенных видов представлены ниже.

Внешний фотоэффект

Это процесс, при котором электроны выбиваются из поверхности материала под действием внешнего электромагнитного излучения (например, света). Обычно используется в фотоэлементах и солнечных батареях.

Внутренний фотоэффект

При этом процессе электроны возбуждаются внутри материала и покидают его поверхность. Обычно используется для создания лазеров и других устройств, которые требуют генерации света.

Термофотоэффект

Такое происходит при нагревании материала до определенной температуры. При этом электроны начинают двигаться быстрее и могут покидать материал, вызывая фотоэффект. Термофотоэффекты используются в термоэлектрических материалах, таких как термопары и термометры.

Фотолюминесценция

Процесс излучения света материалом после поглощения электромагнитного излучения. Обычно фотолюминесценцией обладают материалы, содержащие люминофоры, которые способны поглощать свет и излучать его с другой длиной волны. Фотолюминесцентные материалы используются в освещении, часах и других устройствах.

Фотоактивация

Это процесс активации молекул или клеток в материале под действием света. Свет может использоваться для управления биологическими процессами, такими как деление клеток и экспрессия генов.

Это только некоторые из видов фотоэффектов, и существует множество других. Каждый из них имеет свои особенности и применения в различных областях науки и техники.

Свойства фотоэффекта

Вот некоторые основные свойства фотоэффекта:

• Частоты света. При увеличении частоты света количество электронов, которые могут быть вырваны из материала, увеличивается.
• Интенсивности света. Этот параметр влияет на количество электронов, вырываемых из материала. Чем выше интенсивность света, тем больше электронов может быть выведено из материала.
• Материал. Различные материалы имеют различную способность к фотоэффекту. Некоторые материалы (например, металлы) имеют высокую способность к фотоэффекту, в то время как другие материалы (например, полупроводники) имеют низкую способность.
• Энергия фотонов. Также влияет на способность материала к фотоэффекту. Фотоны с более высокой энергией могут выбить больше электронов из материала, чем фотоны с меньшей энергией.

Принцип работы фотоэффекта

Фотоэффект — это явление, при котором энергия света (фотонов) передается электронам в материале, вызывая их высвобождение из материала и движение в сторону поверхности. Этот процесс происходит под действием электромагнитного поля фотона, которое взаимодействует с электронами в материале.

Принцип работы фотоэффекта можно описать следующим образом:

1. Свет попадает на поверхность материала, и фотоны взаимодействуют с электронами материала.

2. Энергия фотонов передается электронам, увеличивая их энергию до уровня, при котором они могут покинуть материал.

3. Электроны начинают двигаться через материал и достигают поверхности, где они могут быть высвобождены из материала.

4. Высвобожденные электроны движутся в сторону поверхности и теряют часть своей энергии на пути, превращаясь в поток электронов, который может быть использован для создания электрического тока.

5. Электрический ток создается за счет движения электронов и может быть использован в различных устройствах, таких как фотоэлементы, светодиоды, солнечные панели и другие электронные устройства.

Таким образом, фотоэффект является основой работы многих электронных устройств и устройств, использующих солнечную энергию.

Применение фотоэффекта

Фотоэффект имеет широкое применение в различных областях науки и техники, включая:

• Солнечные батареи — фотоэффектом можно объяснить принцип работы солнечных батарей, которые преобразуют световую энергию в электрическую.
• Фотоэлементы — используются для преобразования световой энергии в электрическую. Они широко применяются в устройствах, таких как камеры, фотоаппараты, телефоны, компьютеры и другие электронные устройства.

• Фоторезисторы — используются в качестве светочувствительных элементов в электронных устройствах, таких как фотодатчики и фотоприемники. Они могут быть использованы для измерения интенсивности света, обнаружения движения и других задач.
• Фотодиоды — являются полупроводниковыми приборами, которые используются для преобразования света в электрический сигнал. Они применяются в оптической связи, датчиках, световых индикаторах и других электронных устройствах.
• Лазеры — эти приборы создаются путем использования фотоэффекта. Они используются в медицине, научных исследованиях, производстве и других областях для создания когерентного света высокой интенсивности.

• Фоторезисты — используются в производстве микросхем для создания проводящих дорожек и других элементов. Они также могут быть использованы в качестве масок для фотолитографии.
• Фототранзисторы — они используются в качестве чувствительного элемента в фотоэлектронных приборах и фотопреобразователях.
• Фотоэлектрические элементы — используются для преобразования солнечной энергии в электричество. Они являются основой для солнечной энергетики.
• Фотометры — используются для измерения интенсивности светового потока и яркости объектов. Они широко используются в науке, медицине и промышленности.
• Фоторецепторы — используются в глазах животных и человека для восприятия света. Они играют важную роль в зрительной системе и позволяют нам видеть окружающий мир.