Фотоэлектрический эффект

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фотоэлектрический эффект

1. Открытие фотоэлектрического эффекта

Впервые влияние света на ход электрических процессов было изучено Герцем в 1887 году. Он проводил опыты с электрическим разрядником и обнаружил, что при облучении ультрафиолетовым излучением разряд происходит при значительно меньшем напряжении.

В 1889-1895 гг. А.Г. Столетов изучал воздействие света на металлы, используя следующую схему. Два электрода: катод К из исследуемого металла и анод А (в схеме Столетова - металлическая сетка, пропускающая свет) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью сопротивления R можно изменять значение и знак подаваемого на них напряжения. При облучении цинкового катода в цепи протекал ток, регистрируемый миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие основные закономерности:

- Наиболее сильное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;

- Под действием света из катода вырываются отрицательные заряды;

- Сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Ленард и Томсон в 1898 году измерили удельный заряд (е/m), вырываемых частиц.

Оказалось, что он равняется удельному заряду электрона, следовательно, из катода вырываются электроны.

2. Внешний фотоэффект. Три закона внешнего фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а образуемый ими ток называется фототоком.

С помощью схемы Столетова была получена следующая зависимость фототока от приложенного напряжения при неизменном световом потоке Ф (то есть была получена ВАХ - вольт- амперная характеристика)…

При некотором напряжении UН фототок достигает насыщения Iн - все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, следовательно, сила тока насыщения Iн определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Число высвобождаемых фотоэлектронов пропорционально числу падающих на поверхность катода квантов света. А количество квантов света определяется световым потоком Ф, падающим на катод.

Число фотонов N, падающих за время t на поверхность определяется по формуле:

Где:

W - энергия излучения, получаемая поверхностью за время Дt;

Фе - световой поток (мощность излучения).

1-й закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова).

При фиксированной частоте падающего света фототок насыщения пропорционален падающему световому потоку: н = const.

Где:

Uз - задерживающее напряжение - напряжение, при котором ни одному электрону не удается долететь до анода.

Следовательно, закон сохранения энергии в этом случае можно записать: энергия вылетающих электронов равна задерживающей энергии электрического поля:

Следовательно, можно найти максимальную скорость вылетающих фотоэлектронов V_max:

2-й закон фотоэффекта.

Максимальная начальная скорость V_max фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света (от Ф).

Он определяется только его частотой н.

3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует "красная граница'' фотоэффекта, то есть минимальная частота нкp, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой ещё возможен внешний фотоэффект.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить с помощью волновой природы света (или классической электромагнитной теории света).

Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их "раскачивания" электромагнитным полем световой волны. При увеличении интенсивности света (Ф) должна увеличиваться энергия, передаваемая электроном металла, следовательно, должна увеличиваться V_max, а это противоречат 2-му закону фотоэффекта.

Так как по волновой теории энергия, передаваемая электромагнитным полем пропорциональна интенсивности света (Ф), то свет любой, частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, то есть красной границы фотоэффекта не существовало бы, что противоречит 3-му закону фотоэффекта.

Внешний фотоэффект является без инерционным. А волновая теория не может объяснить его без инерционность.

3. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

Работа выхода. В 1905 году А. Эйнштейн объяснил фотоэффект на основании квантовых представлений.

Согласно Эйнштейну, свет не только испускается квантами в соответствии с гипотезой Планка, но распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями - квантами с энергией E0 = hv. Кванты электромагнитного излучения называются фотонами.

Уравнение Эйнштейна (закон сохранения энергии для внешнего фотоэффекта):

Энергия падающего фотона hv расходуется на вырывание электрона из металла, то есть на работу выхода А_вых, и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии:

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого тела в вакуум называется работой выхода. Так как энергия Ферм к ЕF зависит от температуры и ЕF, также изменяется при изменении температуры, то, следовательно, А зависит от температуры. Кроме того, работа выхода очень чувствительна к чистоте поверхности. Нанеся на поверхность пленку (Са, Sг, Ва) на WА уменьшается с 4,5 эВ для чистого W до 1,5 ? 2 эВ для примесного W.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить вcе три закона внешнего фотоэффекта.

1-й закон: каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности (Ф) света:

2-й закон: V_max ~ н и, т. к., А_вых не зависит от Ф, то и V_max, то не зависит от Ф:

3-й закон: При уменьшении н уменьшается V_max и при н = н0.

Раз V_max = 0, следовательно, hн0 будет равно А_вых, следовательно:

Т. е., существует минимальная частота, начиная с которой возможен внешний фотоэффект:

4. Внутренний фотоэффект. Фотоэлементы

Внутренний фотоэффект - перераспределение электронов по энергетическим уровням в диэлектриках я полупроводниках (но не в металлах) под действием света. Если энергия кванта hv падающего света превышает ширину запрещенной зоны в диэлектрике или полупроводнике, то электрон, поглотивший квант, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого перехода образуется пара носителей: в зоне проводимости электрон, а в валентной зоне - дырка.

Таким образом, в зоне проводимости появляются носители заряда, и при включении полупроводника в цепь по ней будет протекать ток или при приложении внешнего электрического поля будет протекать ток, изменяющийся в зависимости от освещенности.

Внутренний фотоэффект приводит:

1. К изменению концентрации носителей в зоне проводимости (т. е., изменению проводимости);

2. Возникновению фото ЭДС.

На использовании внутреннего фотоэффекта основано действие фотоэлементов - устройств, преобразующих световую энергию в электрическую, или изменяющих свои свойства под действием падающего света. Изменяющие свойства работают как внутреннем фотоэффекте: фотосопротивления (ФС), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ), фоторезисторы, фотомикросхемы. Оптоэлектронная пара - в одном корпусе заключены источник света и фотоприемник - используются для гальванической развязки цепей. фототок квантовый диэлектрик

Устройства, преобразующие световую энергию в электрическую, используют вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта) - возникновение фото ЭДС на p-n переходе или на границе металла с полупроводниками. Устройства на вентильном фотоэффекте используются в фотоаппаратах, в солнечных батареях, в калькуляторах, на спутниках, в некоторых домах. Фотоэлементы используются также в фотометрии, спектрометрии, в астрофизике, биологии и т. д.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах, фотоумножителях, в видиконах (трубки теле - и видеокамер) и т. д.

Размещено на Allbest.ru