Явище зовнішнього фотоефекту

1.1 Закони фотоефекту

1.2 Пояснення законів фотоефекту

Глава II. Опис лабораторного досвіду

2.1 Таблиці, графіки

Глава III. Застосування явища зовнішнього фотоефекту

Список використаної літератури

Фізика відіграє величезну роль в сучасному природознавстві, в розвитку сучасної техніки і всіх галузей народного господарства. Це зумовлює значення курсу фізики в програмах вищої школи. Мета курсу фізики в ознайомленні з основними фізичними явищами, їх механізмом, закономірностями і практичними додатками. Цим закладається фізична основа для вивчення загальнотехнічних і спеціальних дисциплін. Правильне уявлення про природу фізичних явищ особливо важливо при постановці нових питань, які виникають в процесі практичної діяльності інженера.

Вивчення фізики допомагає формуванню правильного діалектико-матеріалістичного світогляду.

Роль фізичного практикуму дуже велика, тому що в лабораторній обстановці студент може відтворити явище і вивчити його. Для вивчення явища студент використовує складні стаціонарні прилади, висуває наукові припущення для пояснення явища, робить висновки.

Методичні вказівки на виконання лабораторної роботи «Вивчення явища зовнішнього фотоефекту» висвітлюють розвиток ідей, що призвели до усвідомлення непридатності класичної фізики для опису поведінки мікрооб'єктів, підводять до пояснення явищ, пов'язаних з дією світла з точки зору квантової теорії. В теоретичній частині розглянуті закони фотоефекту і застосування їх до конструювання оптичних приладів. Метод виконання практичної роботи дає можливість самим переконатися в справедливості закономірностей фотоефекту і побудови графічних закономірностей характеристик. [5]

Мета роботи: вивчити явища зовнішнього фотоефекту на прикладі дослідження основних характеристик фотоелементів:

· Експериментальне вивчення основних закономірностей фотоефекту;

· Визначення постійної Планка;

· Визначення роботи виходу електрона і червоною кордону фотоефекту.

ГЛАВА I. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ЯВИЩА зовнішнього фотоефекту

У 1887 р Г. Герц виявив, що якщо направити на анод іскрового розрядника ультрафіолетове випромінювання, то електричний розряд відбувається при меншій напрузі між електродами, ніж за відсутності освітлення. Герцу не вдалося дати правильного пояснення цьому явищу. Досліди В. Гальвакс, і особливо ретельні дослідження А. Г. Столєтова. проведені в 1888 - 1889 рр. дозволили зрозуміти сутність явища, виявленого Герцем: воно обумовлено вибиванням під дією світла негативних зарядів з металевого катода розрядника. В подальшому вимірювання питомого заряду цих частинок показали, що вони являють собою електрони. [1] Явище вирівнювання електронів з твердих і рідких тіл під дією світла називають зовнішнім фотоелектричним ефектом, а вирвані таким чином електрони іноді називають фотоелектронами.

Для дослідження фотоефекту Столєтов збирав наступну схему (рис.1). На схемі металева пластинка К (фотокатод) з'єднана з негативним полюсом батареї.

З графіка на рис.2, а видно, що при певній напрузі U величина фотоструму досягає максимального значення і далі залишається постійною при будь-яких значеннях. Це означає, що всі електрони, вириті світлом з фотокатода, досягають анода. Максимальний струм називається струмом насичення при даному світловому потоці Ф. Якщо змінювати величину світлового потоку Ф, то отримаємо сімейство кривих для даного фотокатода (рис.2, б). [2,8]

Позитивний полюс через гальванометр з'єднаний з металевою сіткою А (анод). Обидва електроди знаходяться в скляній посудині, з якого відкачується повітря. При висвітленні катода (пластини К) світлом в ланцюзі виникає струм, який реєструвався гальванометром. Цей струм отримав назву фотоструму, а електрони, вириті світлом з катода, - фотоелектронами. Фотострум є рух до анода електронів, що вийшли з катода світловим потоком. [6]

1.1 ЗАКОНИ зовнішнього фотоефекту

Столетов досліджував залежність фотоструму від величини прикладеної напруги між анодом і катодом. При узагальненні отриманих даних Столєтова встановлені три закони зовнішнього фотоефекту.

I. При фіксованій частоті падаючого світла число фотоелектронів, що вириваються з катода в одиницю часу, пропорційно інтенсивності світла (сила струму насичення пропорційна енергетичної освітленості Ee катода).

II. Максимальна початкова швидкість (максимальна початкова кінетична енергія) фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою н

III. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (що залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні), нижче якої фотоефект неможливий. [9]

1.2 ПОЯСНЕННЯ ЗАКОНІВ зовнішнього фотоефекту

Отримані досвідченим шляхом закони фотоефекту не вдалося пояснити на основі електромагнітної хвильової теорії світла. З точки зору цієї теорії електромагнітна хвиля, досягнувши поверхні металу, викликає вимушені коливання електронів, відриваючи їх від металу. Але тоді потрібен час для «розкачки» електронів, і при малій освітленості металу повинно виникнути помітне запізнювання між початком освітлення і моментом вильоту електронів. Далі, кінетична енергія електронів, що залишають метал, повинна залежати від амплітуди змушує сили і тим самим від напруженості електричного поля в електромагнітній хвилі. Однак всі ці висновки суперечать законам фотоефекту. Рішення було знайдено А. Ейнштейном в 1905 р З зовсім інших міркувань. Закони фотоефекту не вдається пояснити за допомогою законів класичної фізики, яку ми вивчали досі. Для їх пояснення А. Ейнштейн в 1905 використовував ідею, висловлену раніше німецьким фізиком М. Планком, згідно з якою світ - потік частинок, фотонів. При цьому енергія E кожного фотона, звана квантом, дорівнює:

де n- частота світла, а h - коефіцієнт, названий постійної Планка і рівний 6,63. 10 -34 Дж. С.

Ейнштейн припустив, що фотон може вибити з поверхні тільки один електрон, а електрону, щоб вирватися з речовини, необхідно зробити роботу виходу Авих. Тоді з закону збереження енергії випливало, що при фотоефекті енергія фотона h n повинна дорівнювати сумі роботи виходу Авих і кінетичної енергії фотоелектронів зі швидкістю v і масою m:

Рівняння (1.2), що пояснює всі закони фотоефекту, називають рівнянням Ейнштейна для фотоефекту. Чим більше фотонів, тим більше вони вибивають фотоелектронів. Це і є поясненням закону №1 фотоефекту. Згідно (1.2) кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла і не залежить від його інтенсивності, що і пояснює закон №2 фотоефекту. З рівняння (1.2) випливає, що фотоелектронна необхідно зробити роботу виходу Авих. і світло з частотою менше лмін = Авих / h не викликатиме фотоефекту, що і пояснює закон №3 фотоефекту. [8,10]

ГЛАВА II. ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО ДОСВІДУ

Установка складається за універсального монохроматора УМ-4, мікроамперметра Ф195, вольтметра постійного струму, сурьмяно-цезієвого вакуумного фотоелемента (СВЦ), джерел живлення ВУП-24, ІЕПП-2. Світло на фотоелемент надходить через його прозору частину.

Два електрода у вакуумній трубці підключені до батареї так, що за допомогою потенціометра R можна змінювати не тільки значення, а й знак подається на них напруги. Струм, що виник при освітленні катода монохроматичним світлом (через кварцове віконце), вимірюється включеним в ланцюг миллиамперметром. [11]

2.2 ТАБЛИЦІ І ГРАФІКИ

Табл. №1. Зняття прямої гілки вольтамперної характеристики фотоелемента.

Інтенсивність фотоефекту залежить від довжини хвилі падаючого світла. При одній і тій же потужності випромінювання сила струму насичення буде різною для різних довжин хвиль л. Залежність чутливості фотоелемента від довжини хвилі падаючого світла називається його спектральної характеристикою. [4] фотоефект спектральний постійна Планка

Робота виходу - різниця між мінімальною енергією яку необхідно надати електрону для його «безпосереднього» видалення з обсягу твердого тіла. Тут «безпосередність» означає те, що електрон видаляється з твердого тіла через дану поверхню і переміщається в точку, яка розташована досить далеко від поверхні. При цьому нехтують додатковою роботою, яку необхідно затратити на подолання зовнішніх полів, що виникають через перерозподіл поверхневих зарядів. Таким чином, робота виходу для одного і того ж речовини для різних поверхонь виявляється різною. [7,8]

При видаленні електрона на нескінченність його взаємодія з зарядами, які залишаються всередині твердого тіла призводить до індукування макроскопічних поверхневих зарядів (при розгляді напівнескінченного зразка в електростатики це називають «зображенням заряду»). При переміщенні електрона в поле індукованого заряду відбувається додаткова робота, яка визначається діелектричної проніцаемостьювещества, геометрією зразка і властивостями інших поверхонь. За рахунок цього повна робота по переміщенню електрона з будь-якої точки зразка в будь-яку іншу точку (в тому числі і точку нескінченності) не залежить від шляху переміщення, тобто від того, через яку поверхню був видалений електрон. Тому в фізиці твердого тіла ця робота не враховується і не входить в роботу виходу. [1,2]

Робота виходу в зовнішньому фотоефекті - мінімальна енергія, необхідна для видалення електрона з речовини під дією світла.

Робота виходу електрона дорівнює 1,66 еВ. дорівнює 750 нм.

В результаті опромінення електрони, вибиті з електрода, можуть досягти протилежного електрода і створити деякий початковий струм. При збільшенні напруги, поле розганяє електрони, і струм збільшується, досягаючи насичення, при якому всі вибиті електрони досягають анода.

Якщо прикласти зворотну напругу, то електрони гальмуються і струм зменшується. При так званому замикаючому напрузі фототок припиняється. Відповідно до закону збереження енергії:

де m- маса електрона, а хmax - максимальна швидкість фотоелектронів.

Табл. № 4. Зняття залежності замикаючої напруги від частоти н.

При збільшенні напруги, поле розганяє електрони, і струм збільшується, досягаючи насичення, при якому всі вибиті електрони досягають анода.

Постійна Планка - основна константа квантової теорії, коефіцієнт, що зв'язує величину енергії кванта електромагнітного випромінювання з його частотою, так само як і взагалі величину кванта енергії будь-якої лінійної коливальної фізичної системи з її частотою. Вперше згадана Планком в роботі, присвяченій тепловому випромінюванню, і тому названа в його честь. [5]

Значення постійної Планка, отримані теоретично і експериментально приблизно рівні.

ГЛАВА III. ЗАСТОСУВАННЯ ЯВИЩА зовнішнього фотоефекту

На зовнішньому фотоефекті заснована робота електронно-оптичного перетворювача (ЕОП), призначеного для перетворення зображення з однієї області спектра в іншу, а також для посилення яскравості зображень. Прискорені і сфокусовані електричним полем електрони потрапляють на люмінесцентний екран. Тут електронне зображення завдяки катодолюминесценции знову перетвориться в світлове.

У медицині ЕОП застосовують для посилення яскравості рентгенівського зображення, це дозволяє значно зменшити дозу опромінення людини. [9]

Якщо сигнал з ЕОП подати в розгорнутому вигляді на телевізійну систему, то на екрані телевізора можна отримати «теплове» зображення предметів. Частини тіла, які мають різні температури, розрізняються на екрані або кольором при кольоровому зображенні, або світлом, якщо зображення чорно-біле. Така технічна система, звана тепловізором, використовується в термографії.

Фотоелементи, які використовують зовнішній фотоефект, перетворять в електричну енергію лише незначну частину енергії випромінювання. Тому в якості джерел електроенергії їх не використовують, зате широко застосовують в різних схемах автоматики для управління електричними ланцюгами за допомогою світлових пучків.

За допомогою фотоелементів здійснюється відтворення звуку, записаного на кіноплівці, а також передача рухомого зображення (телебачення).

У аеронавігації, у військовій справі широке застосування знайшли фотоелементи, чутливі до інфрачервоних променів. Інфрачервоні промені невидимі, хмари і туман для них прозорі.

Поєднання фотоефекту з вторинною електронною емісією застосовується в фотоелектронних помножувачах (ФЕУ): слабкий пучок фотоелектронів, прискорюючись потрапляє на ряд катодів, вибиваючи з кожного вторинні електрони і лавиноподібно посилюючись. Посилення 9-каскадного ФЕУ досягає 106, тобто на виході з фотоумножителя сила струму в мільйон разів перевершує первинний фотострум. [9]

На явищі внутрішнього фотоефекту заснована робота фото-опорів.

3. У напівпровідниках.

Явище фотоефекту отримало широке практичне застосування. Прилади, в основі принципу дії яких лежить фотоефект, називаються фотоелементами. Фотоелементи, які використовують зовнішній фотоефект, перетворюють енергію випромінювання в електричну лише частково. Так як ефективність перетворення невелика, то в якості джерел електроенергії фотоелементи не використовують, але зате застосовують їх в різних схемах автоматики для управління електричними ланцюгами за допомогою світлових пучків.

Внутрішній фотоефект використовують в фоторезисторах. Вентильний фотоефект, що виникає в напівпровідникових фотоелементах з p-n переходом, використовується для прямого перетворення енергії випромінювання в електричну енергію (сонячні батареї). Необхідні умови для виникнення внутрішнього фотоеффекта- частка повинна бути пов'язаною, і енергія фотона повинна перевищувати її енергію зв'язку. Внутрішній фотоефект може відбуватися в напівпровідниках і діелектриках (і в металах теж).

Таким чином, фотоефект - це явище зі звільненням електронів твердого тіла під дією електромагнітного випромінювання.

· Фототок насичення пропорційний величині світлового потоку;

· Фотоефект носить пороговий характер: при довжині хвилі випромінювання, більшою лмакс ( "червона" межа), електрони не вибиваються. Значення лмакс не залежить від величини світлового потоку;

· Значення енергії електронів зі збільшенням частоти світла (зменшенням л) не зменшується, а зростає. Причому зростає лінійно.

Пояснення властивостей фотоефекту з позиції квантової фізики належить А. Ейнштейну: світло поглинається частинами (квантами), що мають енергію і отримали назву фотон.

Електрон набуває кінетичну енергію не поступово (прискорюючись електричним полем хвилі), а відразу - в результаті одиничного акту взаємодії. У монохроматичному пучку все фотони мають однакову енергію h н. Збільшення інтенсивності світлового пучка означає збільшення числа фотонів в пучку, але не позначається на їх енергії, якщо частота залишається незмінною. Залежність затримує напруги від частоти випромінювання, як ми бачили, має вигляд прямої лінії, нахил якої визначається значенням постійної Планка.

Таким чином фотонна теорія додає нові властивості до звичайних властивостей світла (дифракції та поляризації). Вона не вимагає відмови від старого уявлення про світло; вона вимагає лише поєднання концепції фотонів з концепцією електромагнітних хвиль.

Існує і чимало інших експериментів, які також показують згоду фотонної теорії з досвідом.

Досліджена Вами явище виривання світлом електронів з поверхні металу названо зовнішнім фотоефектом. Але, як виявилося, фотон може передати свою енергію окремим електрону атомної оболонки або нуклони ядра атома. Таке явище названо внутрішнім фотоефектом. Необхідні умови: частка повинна бути пов'язаною, і енергія фотона повинна перевищувати її енергію зв'язку. Внутрішній фотоефект може відбуватися в напівпровідниках і діелектриках (і в металах теж).

За допомогою законів збереження енергії та імпульсу можна показати, що фотон не може бути поглинений вільної часткою. У металі електрон взаємодіє з атомами кристалічної решітки. Тому при поглинанні електроном фотона частина імпульсу фотона може бути передана кристалічній решітці металу.

Список використаних джерел

2) Геворкян Р.Г. Шепель В.В. Курс загальної фізики. - М. Вища школа, 1968.

4) Савельєв І.В. Курс загальної фізики. Т.3. М.: Наука.1973 р

6) Тарасов Л.В. Введення в квантову оптику: Учеб. посібник для вузів. -М.: Вища. шк. 1987.