Фотоефект, сонячне вики, fandom powered by wikia

Фотоефект або фотоелектричний ефект - випускання електронів речовиною під дією світла або будь-якого іншого електромагнітного випромінювання. У конденсованих (твердих і рідких) речовинах виділяють зовнішній і внутрішній фотоефект.

Закони Столєтова для фотоефекту.

Формулювання 1-го закону фотоефекту. Сила фотоструму прямо пропорційна щільності світлового потоку.

Згідно з 2-му закону фотоефекту. максимальна кінетична енергія вириваються світлом електронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

3-й закон фотоефекту. для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (або максимальна довжина хвилі λ0), при якій ще можливий фотоефект, і якщо, то фотоефект вже не відбувається.

Теоретичне пояснення цих законів було дано в 1905 році Ейнштейном. Згідно з ним, електромагнітне випромінювання являє собою потік окремих квантів (фотонів) з енергією h ν кожен, де h - постійна Планка. При фотоефекті частина падаючого електромагнітного випромінювання від поверхні металу відбивається, а частина проникає всередину поверхневого шару металу і там поглинається. Поглинувши фотон, електрон отримує від нього енергію і, здійснюючи роботу виходу A. залишає метал: де - максимальна кінетична енергія, яку має електрон при вильоті з металу.

Історія відкриття

У 1839 році Олександр Беккерель спостерігав [1] явище фотоефекту в електроліті.

У 1873 році Віллоубі Сміт виявив, що селен є фотопровідним. Потім ефект вивчався в 1887 році Генріхом Герцем. При роботі з відкритим резонатором він зауважив, що якщо посвітити ультрафіолетом на цинкові розрядники, то проходження іскри помітно полегшується.

Дослідження фотоефекту показали, що, всупереч класичної електродинаміки. енергія вилітає електрона завжди строго пов'язана з частотою падаючого випромінювання і практично не залежить від інтенсивності опромінення.

У 1888-1890 роках фотоефект систематично вивчав український фізик Олександр Столетов. Їм були зроблені кілька важливих відкриттів в цій області, в тому числі виведений перший закон зовнішнього фотоефекту.

Фотоефект був пояснений в 1905 році Альбертом Ейнштейном (за що в 1921 році він, завдяки номінації шведського фізика Карла Вільгельма Озеена. Отримав Нобелівську премію) на основі гіпотези Макса Планка про квантову природу світла. В роботі Ейнштейна містилася важлива нова гіпотеза - якщо Планк в 1900 році припустив, що світло випромінюється тільки квантовими порціями, то Ейнштейн вже вважав, що світло і існує тільки у вигляді квантових порцій. Із закону збереження енергії, при поданні світла у вигляді частинок (фотонів), слід формула Ейнштейна для фотоефекту:

де A - т. зв. робота виходу (мінімальна енергія, необхідна для видалення електрона з речовини), - максимальна кінетична енергія вилітає електрона, - частота падаючого фотона з енергією, h - постійна Планка. З цієї формули випливає існування червоної межі фотоефекту. тобто існування найменшої частоти (), нижче якої енергії фотона вже недостатньо для того, щоб «вибити» електрон з металу. Суть формули полягає в тому, що енергія фотона витрачається на іонізацію атома речовини і на роботу, необхідну для «виривання» електрона, а залишок переходить в кінетичну енергію електрона.

Дослідження фотоефекту були одними з найперших квантовомеханических досліджень.

зовнішній фотоефект

Зовнішнім фотоефектом (фотоелектронній емісією) називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітних випромінювань. Електрони, що вилітають з речовини при зовнішньому фотоефекті, називаються фотоелектронами. а електричний струм. утворений ними при упорядкованому русі в зовнішньому електричному полі, називається фотострумом.

Фотокатод - електрод вакуумного електронного приладу, який безпосередньо піддається впливу електромагнітних випромінювань і емітує електрони під дією цього випромінювання.

Залежність спектральної чутливості від частоти або довжини хвилі електромагнітного випромінювання називають спектральної характеристикою фотокатода.

Закони зовнішнього фотоефекту

Закон Столєтова: при незмінному спектральному складі електромагнітних випромінювань, що падають на фотокатод, фототок насичення пропорційний енергетичної освітленості катода (інакше: число фотоелектронів, що вибиваються з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності випромінювання):
і
Максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою.
Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (що залежить від хімічної природи речовини і стану поверхні), нижче якої фотоефект неможливий.

теорія Фаулера

Основні закономірності зовнішнього фотоефекту для металів добре описуються теорією Фаулера [2]. Відповідно до неї, після поглинання в металі фотона його енергія переходить електрони провідності, в результаті чого електронний газ в металі складається з суміші газів з нормальним розподілом Фермі - Дірака і збудженим (зсунутим на) розподілом по енергіях. Щільність фотоструму визначається формулою Фаулера:

де,, - постійні коефіцієнти, що залежать від властивостей опромінюється металу. Формула справедлива при енергіях збудження фотоемісії, що не перевищують значення роботи виходу металу більш ніж на кілька електронвольт. Теорія Фаулера вірна лише в разі падіння світла по нормалі до поверхні.

квантовий вихід

Важливою кількісною характеристикою фотоефекту є квантовий вихід Y - число емітованих електронів в розрахунку на один фотон, що падає на поверхню тіла. Величина Y визначається властивостями речовини, станом його поверхні і енергією фотонів.

Квантовий вихід фотоефекту з металів у видимій та ближній УФ-областях Y <0,001 электрон/фотон. Это связано, прежде всего, с малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти в вакуум. При энергии фотонов вблизи порога фотоэффекта большинство фотоэлектронов возбуждается ниже уровня вакуума и не даёт вклада в фотоэмиссионный ток. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ-областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Эти ограничения частично снимаются в дальней УФ-области спектра, где Y достигает величины 0,01 электрон/фотон при энергии фотонов E> 10 еВ.

внутрішній фотоефект

Внутрішнім фотоефектом називається перерозподіл електронів по енергетичним станам в твердих і рідких напівпровідниках і діелектриках. що відбувається під дією випромінювань. Він проявляється в зміні концентрації носіїв зарядів в середовищі і призводить до виникнення фотопровідності або вентильного фотоефекту.

Фотопроводимостью називається збільшення електричної провідності речовини під дією випромінювання.

вентильний фотоефект

Вентильний фотоефект або фотоефект в замикаючому шарі - явище, при якому фотоелектрони залишають межі тіла, переходячи через поверхню розділу в інше тверде тіло (напівпровідник) або рідина (електроліт).

Фотовольтаїчний ефект

Фотовольтаїчний ефект - виникнення електрорушійної сили під дією електромагнітного випромінювання [3].

сенсибілізований фотоефект

Сенсибілізованим фотоефектом називається фотоефект, що супроводжується явищем сенсибілізації. тобто зміною величини і спектра фоточутливості в широкозонних фотопровідника органічної і неорганічної природи в залежності від структури молекулярних сполук [4].

Фотопьезоелектріческій ефект

Фотопьезоелектріческім ефектом називається явище появи в напівпровіднику фото електрорушійної сили в умовах зовнішнього нерівномірного стиснення напівпровідника [5].

фотомагнітні ефект

Фотомагнітні ефектом називається виникнення електрорушійної сили в освітленому однорідному напівпровіднику в магнітному полі [5].

ядерний фотоефект

При поглинанні гамма-кванта ядро отримує надлишок енергії без зміни свого нуклонного складу, а ядро з надлишком енергії є складовим ядром. Як і інші ядерні реакції. поглинання ядром гамма-кванта можливо тільки при виконанні необхідних енергетичних і спінових співвідношень. Якщо передана ядру енергія перевершує енергію зв'язку нуклона в ядрі, то розпад утворився складеного ядра відбувається найчастіше з випусканням нуклонів, в основному нейтронів. Такий розпад веде до ядерних реакцій і, які і називаються Фотоядерні. а явище випускання нуклонів (нейтронів і протонів) в цих реакціях - ядерним фотоефектом [6].

Багатофотонні фотоефект

У сильному електромагнітному полі з атомом в елементарному акті фотоефекту можуть взаємодіяти декілька фотонів. В цьому випадку іонізація атома можлива за допомогою випромінювання з енергією квантів. Зареєстрована шести- і семи- фотонна іонізація інертних газів [7].

сучасні дослідження

Порівняльні кількісні дослідження різних матеріалів показали, що глибина взаємодії між випромінюванням і речовиною істотно залежить від структури атомів цієї речовини і кореляції між внутрішніми електронними оболонками. У разі c ксеноном. який використовувався в експериментах, вплив пакету фотонів в короткому імпульсі призводить, по всій видимості, до одночасної емісії безлічі електронів з внутрішніх оболонок [9].