атомна фізика

Зовнішній фотоефект або фотоелектронна емісія - випускання електронів речовиною під дією електромагнітного вивчення.

Основний вплив на характер протікання фотоефекту надають властивості опромінюється матеріалу (провідник, напівпровідник, діелектрик), а також енергія фотонів, так як для кожного матеріалу існує мінімальне значення енергії фотонів, при якій фотоефект припиняється.

Мал. 2.4. Генріх Рудольф Герц (1857-1894)

Вперше явище фотоефекту було помічено Г. Герцем в 1887 р Сутність явища полягає в тому, що при освітленні ультрафіолетовим промінням металеве тіло втрачає електрони. Фотоефект можна спостерігати, наприклад, при освітленні світлом електричної дуги цинкової пластинки, з'єднаної з електрометром (див. Рис. 2.5).

Мал. 2.5. Освітлення зарядженої цинкової пластинки світлом електричної дуги:
1-негативно заряджена пластина; 2-позитивно заряджена платівка

Якщо цинкову пластинку зарядити негативно, то при її опроміненні електрометрії швидко розряджається. Якщо ж платівка заряджена позитивно, то при опроміненні її заряд не змінюється.

Мал. 2.6. Олександр Григорович Столєтов (1839-1896)

Мал. 2.7. Філіп Едуард Антон фон Ленард (1862-1947)

Перші кількісні дослідження фотоефекту належать українському фізику А.Г. Столєтова. який встановив основні закони фотоефекту.

Мал. 2.8. Опис досвіду Столєтова А.Г. «Два металевих диска (« арматури »,« електроди ») в 22 см діаметром були встановлені вертикально і один одному паралельно перед електричним ліхтарем Дюбоск, з якого вийняті всі стекла. У ліхтарі була лампа з електричною дугою А. Один з дисків, довколишній до ліхтаря, зроблений з тонкої металевої сітки, латунної або залізної, іноді гальванопластичного покритої іншим металом, яка була натягнута в круглому кільці; інший диск суцільний (металева пластинка) »[Столетов А. Г. Вибрані твори / Под ред. А. К. Тімірязева.- М .; Л. Держ. изд. техн.-теор. лит. 1950. - 660 с.]. Виміри проводилися дзеркальним гальванометром G, джерелом струму В служили гальванічні батареї з різного числа елементів.

Пізніше установка Столєтова була вдосконалена Ф.Е.А. Ленард (Нобелівська премія 1905 р за дослідження катодних променів) і іншими дослідниками (рис. 2.2).

Мал. 2.9. Схема дослідів з вивчення зовнішнього фотоефекту

Світло, що проникає через кварцове вікно КВ (кварц пропускає ультрафіолетові промені), висвітлює катод К. виготовлений з досліджуваного матеріалу. Електрони, випущені внаслідок фотоефекту, переміщаються під дією електричного поля до анода А. У ланцюзі виникає фотострум, вимірюваний миллиамперметром. За допомогою потенціометра П можна змінювати напругу між катодом і анодом, яке показує вольтметр V.

Дослідження привели до встановлення таких основних закономірностей фотоефекту:

1. Електрони, що випускаються під дією світла заряди мають негативний знак.

2. Величина випускається тілом заряду пропорційна поглиненої їм світлової енергії.

3. Найбільше дію роблять ультрафіолетові промені. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається за інших рівних умов лише частотою падаючого монохроматичного світла і зростає зі збільшенням частоти.

4. Фотоефект протікає безінерційний, тобто фотострум з'являється практично одночасно з освітленням катода (затримка).

Проаналізуємо вольт-амперну характеристику (тобто залежність фотоструму I від напруги між електродами U), яка виходить в результаті фотоелектричного ефекту. З кривої на рис. 2.10 видно, що при певній напрузі фототок досягає насичення - всі електрони, випущені катодом, потрапляють на анод.

Мал. 2.10. Вольт-амперна характеристика фотоефекту

Отже, сила струму насичення визначається кількістю електронів, що випускаються катодом в одиницю часу під дією світла. Тому сила фотоструму насичення прямо пропорційна світловому потоку

де k - коефіцієнт пропорційності, що характеризує «чутливість» даної речовини до світла.

Мал. 2.11. Залежність сили фотоструму насичення від світлового потоку

Аналіз кривої показує, що електрони вилітають з катода з різними за величиною швидкостями. Частина електронів володіє достатніми швидкостями, щоб при U = 0 долетіти до анода «самостійно» і створити фототок без допомоги прискорюючого поля. Для звернення фотоструму в нуль необхідно докласти певних затримує напруга. За величиною гальмує різниці потенціалів, при якій фототок звертається в нуль, можна визначити швидкість найшвидших фотоелектронів:

де - маса, величина заряду (e> 0) і максимальна швидкість цих електронів. Експериментально було встановлено, що максимальна швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, а залежить тільки від частоти опромінення. Зростаюча лінійна залежність на рис. 2.4 вказує на те, що збільшення частоти призводить до зростання максимальної швидкості фотоелектронів.

Мал. 2.4. Залежність затримує напруги від частоти

Ця експериментальна залежність не вкладається в рамки класичної електродинаміки, так як швидкість фотоелектронів за класичними поняттями повинна залежати від інтенсивності електромагнітної хвилі, а не від її частоти.

У 1905 р А. Ейнштейн показав, що всі закономірності фотоефекту легко пояснюються, якщо припустити, що світло поширюється і поглинається такими ж порціями (квантами). якими він, за припущенням Планка, випускається. Взаємодіючи з електроном речовини, фотон може обмінюватися з ним енергією і імпульсом. Фотоефект виникає при неупругом зіткненні фотона з електроном. При такому зіткненні фотон поглинається, а його енергія передається електрону. Таким чином, електрон набуває кінетичну енергію не поступово, а одразу - в результаті одиничного акту зіткнення. Цим і пояснюється Безінерційна фотоефекту.

Мал. 2.13. Схема виникнення фотоефекту в металі під дією падаючих фотонів

Енергія, отримана електроном, доставляється йому у вигляді кванта. Частина цієї енергії електрон витрачає на те, щоб «вирватися» з металу. Для кожного матеріалу є своя робота виходаАВИХ

Робота виходу - це найменша енергія, яку необхідно надати електрону, щоб видалити його з речовини в вакуум.

Залишок енергії фотона перетворюється в кінетичну енергію До електрона. Кінетична енергія максимальна, якщо електрон утворюється поблизу поверхні речовини і не витрачає енергію при випадкових зіткненнях в речовині. У цьому випадку буде виконуватися співвідношення Ейнштейнадля фотоефекту (2.7).

яке пояснює експериментальну лінійну залежність (див. рис. 2.4) затримує потенціалу від частоти падаючого електромагнітного випромінювання.

Таким чином, згідно з Ейнштейном, світло з частотою w не тільки випускається, як це передбачав Планк, а й поширюється в просторі і поглинається речовиною окремими порціями (квантами), енергія яких

У 1914 р були проведені модифіковані досліди по фотоефекту: промені прямували на металевий пил, вміщену в конденсаторі. Фотоефект практично миттєвий: при зіткненні пилинки з фотонами з неї вибиваються електрони, порошинка набуває заряд і починає рухатися в поле конденсатора. Рух пилинок спостерігалося відразу після включення джерела випромінювання. Якби випромінювання було класичної електромагнітної хвилею, то хвилі треба було б цілком помітне в експерименті час для того, щоб розгойдати електрони, повідомити їм енергію, рівну роботі виходу і, тим самим, вирвати їх з пилинки. Відсутність такого запізнювання наочно продемонструвало корпускулярну природу фотоефекту.

На явищі фотоефекту заснована дія приладів, які називаються фотоелементами. На рис. 2.14 показано пристрій вакуумного фотоелемента.

Мал. 2.14. Пристрій вакуумного фотоелемента

На внутрішню поверхню металевого балона наноситься світлочутливий шар, службовець катодом. Він з'єднаний з негативним полюсом джерела струму. У центрі балона поміщається дротове кільце, що служить анодом. Анод з'єднується з позитивним полюсом джерела струму. Через прозоре вікно в передній стінці балона світло проникає всередину і, пройшовши крізь дротове кільце, вибиває фотоелектрони з катода. Фотоелектрони під дією електричного поля рухаються в бік анода, ланцюг замикається і по ній починає текти струм IФ. Якщо на шляху світлових променів з'явиться непрозора перепона, то світ перестане надходити на катод, фотоелектронна емісія припиниться, і струм в ланцюзі перерветься. При цьому спрацює той чи інший реле, пов'язане з реєструючим пристроєм.

Мал. 2.15. Сонячні батареї на міжнародній космічній станції. При висвітленні області контакту різних напівпровідників виникає фотоерс, що дозволяє перетворювати світлову енергію в електричну.

Фотоелементи є основною частиною всіляких фотореле. знайшли широке застосування в промисловості. За допомогою фотореле можна здійснювати управління різними приладами і установками, включаючи і вимикаючи їх автоматично при освітленні світлом фотоелемента, або, навпаки, при його виключенні.

Приклад 1. На поверхню літію падає монохроматичне світло з довжиною хвилі. Щоб припинити емісію електронів, потрібно докласти затримує різниця потенціалів не менше. Визначимо роботу виходу.

Енергія фотона дорівнює

Максимальна кінетична енергія електронів дорівнює добутку. Звідси знаходимо роботу виходу

Надалі ми обговоримо докладніше вже згадувану позасистемна одиницю енергії - електрон-вольт.

Приклад 2. Визначити максимальну швидкість електронів, що вилітають з металу під дією квантів з довжиною хвилі.

істотно перевищує роботу виходу електронів з будь-якого металу (максимум кількох еВеВ). Тому в рівнянні Ейнштейна (2.7) роботою виходу Авих можна знехтувати. З огляду на, що енергія спокою електрона дорівнює приблизно, тобто близька до його кінетичної енергії, для розрахунку швидкості електронів в даному випадку необхідно скористатися релятивістськими формулами, а саме: кінетична енергія До дорівнює

де - максимальна швидкість електронів, з - швидкість світла у вакуумі.

Тоді рівняння Ейнштейна набуває вигляду

Вирішуючи його, знаходимо швидкість електронів

яка дійсно виявляється близька до швидкості світла у вакуумі.