Фотоэффект. Виды фотоэффекта. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике. Большая энциклопедия нефти и газа

Различают два вида фотоэлектрического эффекта: внешний и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект заключается в испускании электронов с поверхности вещества, на которую падает электромагнитное излучение. Обычно длины волн излучения, вызывающего фотоэффект, лежат в оптическом диапазоне. Внутренний фотоэффект связан с перераспределением электронов атомов по их состояниям в твердом теле, при поглощении им электромагнитного излучения.

Начало исследований фотоэффекта было положено в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем. Он установил, что под действием ультрафиолетового излучения электрическая искра между двумя металлическими стержнями - электродами проскакивает при меньшей разности потенциалов, чем в отсутствие облучения. Детально фотоэффект был впервые изучен русским физиком А. Г. Столетовым в 1888 г. Явление, наблюдаемое Столетовым, состояло в том, что из освещенной металлической пластины, помещенной в сосуд, из которого был тщательно откачан воздух, вылетали отрицательно заряженные частицы - электроны (рис. 1).

В дальнейшем наукой был установлен следующий закон: максимальная скорость вылетающих электронов зависит только от частоты колебаний электромагнитной волны и растет с увеличением частоты. Так, максимальная скорость электронов, покидающих пластину, освещаемую красным светом, оказывается почти вдвое меньше скорости электронов, вылетающих при освещении той же пластины фиолетовым светом. При этом скорости электронов не зависят от освещенности пластины. Такое явление нельзя объяснить, рассматривая свет как непрерывную электромагнитную волну.

В этом случае скорости электронов должны были бы возрастать с увеличением амплитуды волны, т. е. с увеличением освещенности поверхности.

Загадка фотоэффекта сделалась понятной, когда А. Эйнштейн стал рассматривать это явление как взаимодействие потока отдельных световых квантов с энергией с электронами вещества. Энергия электрона расходуется на работу А, которую нужно затратить, чтобы вырвать электрон из металла, и на придание ему кинетической энергии: . Здесь v - частота излучения, - масса, v - скорость электрона. Постоянную А называют работой выхода (рис. 2). Впервые это уравнение записал А. Эйнштейн, и оно носит его имя. Проверка на опыте полученного соотношения показала, что оно полностью объясняет закономерности фотоэффекта. Удачное объяснение нового явления на основе квантовых представлений послужило дальнейшему развитию квантовой механики.

На использовании внешнего фотоэффекта созданы фотоэлементы: устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал (рис. 3). Электрический сигнал, поступающий с фотоэлемента, можно усилить с помощью электронных устройств и использовать для управления какой-либо системой, например турникетом в метро.

В результате перераспределения электронов в объеме полупроводникового материала под действием потока фотонов возникают свободные электрические заряды, и его электрическое сопротивление уменьшается. Такие фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фотосопротивлениями. Под действием электромагнитного излучения они изменяют сопротивление, благодаря чему меняется ток в их цепи.

Фотосопротивления в отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом могут реагировать на инфракрасное длинноволновое излучение. С их помощью измеряют распределение температуры слабо нагретых тел. Специальные приборы позволяют, например, снять карту температуры поверхности человеческого тела и по распределению температуры проконтролировать здоровье человека.

Солнечные батареи обеспечивают энергией летательные космические корабли. Они составлены из множества фотодиодов, преобразующих свет в электрическую энергию. Фотодиод - кристалл полупроводника, одна часть которого имеет электронную, а другая - дырочную проводимость. Между этими частями возникает -переход. При освещении фотодиода один его электрод заряжается положительно, а другой - отрицательно. Если между электродами включить резистор, то через него потечет ток. Современные фотодиоды только незначительную долю падающей на них энергии преобразуют в электрический ток. Однако в перспективе, как считают ученые, будут разработаны фотодиоды с большим КПД, почти полностью преобразующие поглощаемую ими световую энергию в энергию электрического тока.

В 1887 году Генрих Рудольф Герц обнаружил явление, впоследствии названное фотоэффектом. Его суть он определил в следующем:

Если свет от ртутной лампы направить на металл натрий, то с его поверхности будут вылетать электроны.

Современная формулировка фотоэффекта иная:

При падении световых квантов на вещество и при их последующем поглощении в веществе будут частично или полностью освобождаться заряженные частицы.

Другими словами при поглощении световых фотонов наблюдается:

1. Эмиссия электронов из вещества
2. Изменение электропроводности вещества
3. Возникновение фото-ЭДС на границе сред с различной проводимостью (например, металл-полупроводник)

В настоящее время существует три вида фотоэффекта:

1. Внутренний фотоэффект. Заключается в изменении проводимости полупроводников. Он используется в фоторезисторах, которые применяются в дозиметрах рентгеновского и ультрафиолетового излучения, также используется в медицинских приборах (оксигемометр) и в пожарной сигнализации.
2. Вентильный фотоэффект. Заключается в возникновении фото-ЭДС на границе веществ с разным типом проводимости, в результате разделения носителей электрического заряда электрическим полем. Он используется в солнечных батареях, в селеновых фотоэлементах и датчиках, регистрирующих уровень освещенности.
3. Внешний фотоэффект. Как уже говорилось ранее, это процесс выхода электронов из вещества в вакуум под действием квантов электромагнитного излучения.

Законы внешнего фотоэффекта.

Они были установлены Филиппом Ленардом и Александром Григорьевичем Столетовым на рубеже 20 века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их скорость в зависимости от интенсивности и частоты подающего излучения.

Первый закон (закон Столетова):

Сила фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку, т.е. падающему излучению на вещество.

Теоретическая формулировка: При напряжении между электродами равном нулю фототок не равен нулю. Это объясняется тем, что после выхода из металла электроны обладают кинетической энергией. При наличии напряжения между анодом и катодом сила фототока растет с ростом напряжения, а при определенном значении напряжения ток достигает своего максимального значения (фототок насыщения). Это значит, что все электроны ежесекундно испускаемые катодом под действием электромагнитного излучения принимают участие в создании тока. При смене полярности ток падает и скоро становится равным нулю. Здесь электорон совершает работу против задерживающего поля за счет кинетпческой энергии. При увеличении интенсивности излучения (рост числа фотонов) растет число поглощенных металлом квантов энергии, а следовательно и число вылетевших электронов. Значит, чем больше световой поток, тем больше фототок насыщения.

I ф нас ~ Ф, I ф нас = k·Ф

k - коэффициент пропорциональности. Чувствительность зависит от природы металла. Чувствительность металла к фотоэффекту увеличивается с увеличением частоты света (при уменьшении длины волны).

Эта формулировка закона является технической. Она справедлива для вакуумных фотоэлектрических приборов.

Количество испускаемых электронов прямопропорционально плотности падающего потока при его постоянном спектральном составе.

Второй закон (закон Эйнштейна):

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектрона промопропорциональна частоте падающего лучистого потока и не зависит от его интенсивности.

E kē = => ~ hυ

Третий закон (закон “красной границы”):

Для каждого вещества существует минимальная частота или максимальная длина волны, за пределами которой фотоэффект отсутствует.

Эта частота (длина волны) называется “красной границей” фотоэффекта.

Таким образом, он устанавливает условия фотоэффекта для данного вещества в зависимости от работы выхода электрона из вещества и от энергии падающих фотонов.

Если энергия фотона меньше работы выхода электрона из вещества, то фотоэффект отсутствует. Если же энергия фотона превышает работу выхода, то ее избыток после поглощения фотона идет на начальную кинетическую энергию фотоэлектрона.

Применение его для объяснения законов фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта является частным случаем закона сохранения и превращения энергии. Свою теорию он основал на законах еще зарождающейся квантовой физики.

Эйнштейн сформулировал три положения:

1. При воздействии с электронами вещества падающие фотоны поглощаются полностью.
2. Один фотон взаимодействует только с одним электроном.
3. Один поглощенный фотон способствует выходу только одного фотоэлектрона с некоторой E kē .

Энергия фотона расходуется на работу выхода (А вых) электрона из вещества и на его начальную кинетическую энергию, которая будет максимальна, если электрон выходит с поверхности вещества.

E kē = hυ - А вых

Чем больше частота падающего излучения, тем больше энергия фотонов и тем больше (за вычетом работы выхода) остается на начальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

Чем интенсивнее падающее излучение, тем больше фотонов входит в световой поток и тем больше электронов смогут выйти из вещества и участвовать в создании фототока. Именно поэтому сила фототока насыщения промопропорциональна световому потоку (I ф нас ~ Ф). Однако начальная кинетическая энергия от интенсивности не зависит, т.к. один электрон поглощает энергию только одного фотона.

Черноуцан А.И. Несколько замечаний по поводу фотоэффекта //Квант. - 1989. - № 1. - С. 49-51.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В школьном курсе физики вы познакомились с явлением фотоэффекта, т. е. испускания электронов веществом под действием света, и его закономерностями («Физика 10», глава 10). Что является главным в теории фотоэффекта? Конечно же, гипотеза световых квантов - фотонов. Фотоэффект можно представить как результат двух последовательных процессов: 1) поглощение кванта света электроном, 2) вылет электрона за пределы вещества. Если происходят оба процесса, явление правильнее называть внешним фотоэффектом. Если же поглощение фотонов не приводит к вылету электронов из вещества, но изменяет его электропроводность, то говорят о внутреннем фотоэффекте (обычно наблюдается в полупроводниках). Собственно фотоэффектом часто называют сам акт поглощения фотона электроном.

Возникает вопрос: может ли фотоэффект происходить на отдельно взятом свободном электроне? На первый взгляд - почему бы нет? Ведь мы же говорим: фотон поглощается электроном. При чем же здесь вещество? Возьмем электрон, посветим на него фонариком, и он начнет «глотать» фотоны и разгоняться! Оказывается, ничего не выйдет. Свободный электрон не сможет поглотить ни одного фотона. Он, правда, сдвинется с места, но причиной будет не поглощение, а рассеяние фотонов. Это тоже очень интересный процесс - известный вам эффект Комптона, в котором ярко проявляются квантовые свойства света, но... не фотоэффект.

Почему же фотон не может поглотиться свободным электроном? Проведем, как говорят математики, доказательство «от противного». Пусть электрон (покоящийся или движущийся) поглощает налетающий на него фотон, и при этом изменяется его скорость. Оказывается, такой процесс запрещен законами сохранения энергии и импульса. Это становится очевидным, если выбрать такую инерциальную систему отсчета, в которой электрон после фотоэффекта покоится. Смотрите сами. Что мы имеем в конечном состоянии? Покоящийся электрон и ничего больше. А в начальном состоянии? Движущийся электрон да еще и фотон впридачу. Энергия, действительно, не сохраняется.

Значит, фотоэффект «по всем законам» возможен только в присутствии третьего участника. В металлах, полупроводниках эту роль играют ионы кристаллической решетки. Но при подсчете энергии (например, в уравнении Эйнштейна для фотоэффекта) мы их не учитываем потому, что благодаря своей большой массе ионы обычно забирают очень малую часть энергии (играя при этом важную роль в законе сохранения импульса).

А возможен ли фотоэффект на отдельно взятом атоме (или молекуле) - например, в газе? Оказывается, да. Фотон поглощается одним из электронов атома, а лишний импульс уносится атомным ядром. Интересно отметить, что впервые фотоэффект был обнаружен Г. Герцем именно в опытах с газами (1887 г.). Он исследовал электрический пробой воздушного промежутка между электродами и обнаружил, что при облучении этого промежутка светом пробой наступает при меньшем напряжении.

Почему же в школьном курсе физики подробно обсуждается лишь внешний фотоэффект? Ведь при любом фотоэффекте происходит главное квантовое явление - поглощение фотона электроном. Все дело в том, что законы внешнего фотоэффекта достаточно просты и их сравнительно легко изучать экспериментально. При этом количественные характеристики фотоэффекта могут быть найдены как из самих экспериментов по внешнему фотоэффекту, так и независимыми способами. Поговорим об этом несколько подробнее.

Уравнение Эйнштейна

\(h \cdot \nu = A + \frac {m \cdot \upsilon ^2}{2}\)

содержит две непосредственно измеряемые величины: частоту света ν и максимальную кинетическую энергию выбиваемых электронов \(\frac {m \cdot \upsilon ^2}{2}\). Оптическими методами могут быть созданы пучки света с хорошо известными частотами ν. Для получения сведений о вылетающих электронах (количество электронов, выбиваемых за одну секунду, а также максимальная кинетическая энергия) из исследуемого металла изготовляют катод вакуумной лампы. Так как ток через лампу осуществляется как раз выбиваемыми электронами, то из вольтамперной характеристики лампы можно получить всю необходимую информацию. В частности, максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение U з:

\(\frac {m \cdot \upsilon ^2}{2} = e \cdot U_3\)

Если для различных металлов нанести на график экспериментальные зависимости e U з от частоты света ν, то, в соответствии с уравнением Эйнштейна, получатся параллельные прямые (см. рисунок).

По наклону этих прямых можно вычислить постоянную Планка h , а по точкам пересечения графиков с осями - найти работу выхода А и предельную частоту ν min , называемую красной границей фотоэффекта. Как вы знаете, впервые понятие о квантовании энергии (Е = h ν), в также постоянная h были введены М. Планком для объяснения законов теплового излучения. Из теории фотоэффекта получается такое же (с точностью до ошибок эксперимента) значение h , что сильно укрепило позиции квантовой теории.

А можно ли другим способом, кроме фотоэффекта, измерить работу выхода? Ответ напрашивается сам собой - надо как-то по-другому, без облучения светом, заставить электроны покидать вещество. Самое очевидное - нагревая катод, заставить электроны «испаряться» с его поверхности. Именно это явление - термоэлектронная эмиссия - используется в электронных лампах - диодах, триодах и т. п. Процесс испускания электронов действительно очень похож на испарение - наружу могут вылететь только самые быстрые электроны, энергия которых превышает работу выхода.

Для большинства металлов работа выхода имеет порядок нескольких электронвольт. Много это или мало? Оценим среднюю энергию теплового движения электронов по формуле, которая была получена для одноатомного газа:

\(\overline {E} = \frac {3}{2} k \cdot T.\)

При комнатной температуре (T ≈ 300 К) эта величина составляет несколько сотых долей электронвольта, т. е. в сотни раз меньше, чем работа выхода. Это означает, что количество электронов, которые покидают металл за счет теплового движения, при комнатной температуре очень мало (при изучении фотоэффекта это явление можно не учитывать). Чтобы «испарение» электронов стало заметным процессом, надо нагреть катод до нескольких тысяч градусов.

Исследуя зависимость числа испускаемых электронов от температуры, можно вычислить работу выхода. Полученные таким способом значения работы выхода хорошо согласуются с предсказаниями теории внешнего фотоэффекта, что является важным независимым подтверждением правильности ее основных положений.

Выска-зал гипотезу: свет излучается и поглощается отдель-ными порциями — квантами (или фотонами). Энер-гия каждого фотона определяется формулой Е = hν , где h — постоянная Планка, равная 6,63 . 10 -34 Дж. с, ν — частота света. Гипотеза Планка объяснила мно-гие явления: в частности, явление фотоэффекта, от-крытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Гер-цем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым .

Фотоэффект — это явление испускания элек-тронов веществом под действием света.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта:

1. Сила тока насыщения прямо пропорцио-нальна интенсивности светового излучения, па-дающего на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фото-электронов линейно возрастает с частотой света и не за-висит от его интенсивности.

3. Если частота света меньше некоторой опре-деленной для данного вещества минимальной часто-ты, то фотоэффект не происходит.

Зависимость фототока от напряжения показа-на на рисунке 36.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объясне-ние: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (А вых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: mv 2 /2 = hv — А вых, Это уравне-ние носит название уравнения Эйнштейна .

Если hν < А вых то фотоэффект не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна ν min = А вых /h

Приборы, в основе принципа действия кото-рых лежит явление фотоэффекта, называют фото-элементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фото-элемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в ки-но для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлемен-ты, в которых под действием света происходит изме-нение концентрации носителей тока.Они использу-ются при автоматическом управлении электрически-ми цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых ис-точников тока в часах, микрокалькуляторах, прохо-дят испытания первые солнечные автомобили, ис-пользуются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных ав-томатических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимиче-ские процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Типы фотоэффекта: внешний фотоэффект - испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), излучения и др. внутренний фотоэффект - увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света (фотопроводимость) вентильный фотоэффект - возбуждение светом электродвижущей силы на границе между металлом и полупроводником или между разнородными полупроводниками

В чем процесс видения мира? Посредством зрения человек получает около 90% информации. Первая стадия процесса видения мира- получение изображения предмета на сетчатке, что достигается при помощи оптической системы глаза: «объектив» нашего глаза состоит из роговицы и хрусталика. Хрусталик выполняет роль светофильтра, не пропуская ультрафиолетовые лучи. Зрачок играет роль диафрагмы. Пигментный эпителий поглощает свет, чтобы уменьшить его рассеивание. Все фотоны, попавшие в глаз в это время воспринимаются им как одновременные. Оптическая часть глаза дает изображение рассматриваемого предмета на фотопленке – сетчатке глаза.

II стадия видения. Это преобразование энергии электромагнитных излучений в другие виды энергии. Рассмотрим строение сетчатки. Она состоит из слоя рецепторов (колбочек и палочек).Фоторецептором у колбочек и палочек служит наружный сегмент. Колбочки – инструмент цветного зрения (синие, зеленые, желтые).Палочки обеспечивают черно – белое зрение

Работа фоторецептора. Фоторецептор палочки работает так: в мембранах дисков находится зрительный пигмент – родопсин, который в свою очередь состоит из белка родопсина и ретиналя. Молекула ретиналя в родопсине может существовать в цис- форме и транс- форме. Молекула ретиналя «сидит» в молекуле родопсина в виде буквы «Г», пока на нее не упадет квант видимого света. Это ее цис – форма.

Работа фоторецептора(2). Когда же на нее упадет квант видимого света, молекула ретиналя распрямляется. Энергия поглощенного фотона расходуется в основном на то, чтобы перевести молекулу ретиналя из одного изомерного состояния в другое. Значительная часть энергии поглощенного фотона переходит во внутреннюю энергию. Изомерное превращение молекул ретиналя запускает цепь событий, приводящих к появлению зрительного сигнала. Итак, в механизме зрения используются квантовые свойства света.

Фотоэффект в живой природе..? Исходя из определения о фотоэффекте трудно представить что такое явление может происходить в природе. Действительно, оно не распространено. Человек не замечает явление фотоэффекта в природе, как такового. Человек во многих случаях добивается выбивания электронов своими путями, действуя технологически. Но у природы есть свои неразгаданные тайны. Кто знает, может быть мы и найдем это явление в природе?