Лекции по физике

Ядерная энергетика
Ядерный топливный цикл
Реактор"Феникс"
Оружейный уран и плутоний
Добыча урановой руды
Обогащение урана
Атомная бома «Малыш»
Радионуклиды
Транспортировка радиоактивных веществ
Твэлы энергетических реакторов
Радиохимические заводы России
Курсовой проект по дисциплине
"Детали машин"
Технические требования на чертеже
редуктора
Выбор параметров и расчёт цилиндрических
зубчатых передач
Расчёт зубьев червячного колеса на
выносливость
Пример выполнения курсового проекта
Расчет резьбовых соединений
Зубчатые передачи
Методы повышения износостойкости
деталей машин
Червячные передачи
В зацеплении Новикова
Повреждение поверхности зубьев
Проверочный расчет на выносливость
при изгибе
Приводные ремни и область их применения
Проектирование новой машины
Проектный расчет валов
Муфты продольно-разъемные
Классификация приводных муфт
Лекции по физике
Динамика твердого тела
Вынужденные колебания и волны
Основы термодинамики
Диэлектрики
Получение переменного тока
Оптика

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект

Фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Фотоэффект был открыт в 1887г. Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены А.Г. Столетовым (1888), а затем немецким физиком Ф. Ленардом (1899). Первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал А. Эйнштейн (1905). Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования фотоэффекта внесли А.Ф. Иоффе (1907), П.И. Лукирский и C.С. Прилежаев (1928), И.Е. Тамм и C.Т. Шубин (1931).

Фотоэффект наблюдается в газах и в конденсированных (твердых и жидких) телах.

Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и называется фотоионизацией.

В конденсированных телах различают внешний и внутренний фотоэффекты.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей тока в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимость – увеличение электрической проводимости вещества под действием света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фотоЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например: в p – n переходе).

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду.

Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фотопотоком.

Внешний Фотоэффект. Законы Столетова.

Практическое значение имеет внешний фотоэффект из твердых тел в вакуум.

Опыт Столетова: Конденсатор, образованный проволочной сеткой и сплошной пластиной, был включен последовательно с гальванометром Г в цепь батареи. В результате в цепи возникал ток, регистрирующийся гальванометром.

На основании опытов Столетов пришел к выводам: 1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает в увеличением освещенности пластины; 3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Спустя 10 лет (1898) Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами.

Ленард и др. исследователи усовершенствовали прибор Столетова, поместив электроды в эвакуированный баллон (рисунок).

Эффект Комптона. Наиболее полно и ярко корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. А. Комптон, исследуя в 1923 году рассеяние рентгеновских монохроматических лучей веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Получена в 1927 году на основе анализа процедуры измерения квантовой механики. В классической физике считалось, что параметры, характеризующие состояние микрообъекта могут быть определены одновременно со сколь угодно большой точностью. Считалось, что неточность измерений связана с несовершенством методики измерения, либо с погрешностью приборов. Гейзенберг доказал, что в квантовой физике существует принципиальное ограничение на точность измерений, а также то, что не все величины могут быть измерены одновременно одинаково точно.

Роль квантовых чисел электрона в атоме

Заряд и массовое число ядра. Зарядом ядра является величина Zе, где е – заряд протона, Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

1895 год открытие рентгеновских лучей (Вильгельм Конрад Рентген)

Свет падает через кварцевое окно Д на фотокатод К.

Характер зависимости фототока J в трубке от разности потенциалов U анода А и катода К при постоянной энергетической освещенности катода монохроматическим светом (вольтамперная характеристика) изображен на рисунке.

Существование фототока при отрицательных значениях U от 0 до U0 свидетельствует о том, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и соответственно кинетическую энергию. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов Vmax связана с задерживающим потенциалом U0 соотношением:

m0 * V2max / 2 = e * U0, где e и me – абсолютная величина заряда и масса электрона.

Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения Jн, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анода. Если nСЕК – число фотоэлектронов, покидающих катод за 1 с, то Jн = е * nСЕК.

Законы внешнего фотоэффекта:

При неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода: Jн ~ Еэ и nСЕК ~ Еэ;

Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности;

Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света n0, при которой ещё возможен внешний фотоэффект; частота n0 зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Фотоэффект безынерционен, т.е. испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой n ³ n0.

1.2. Невозможность объяснения фотоэффекта с точки зрения классической физики.

Второй и третий законы Столетова, а также безынерционность фотоэффекта находились с резком противоречии с классическими представлениями о волновой природе света. С волновой точки зрения качественно фотоэффект можно было объяснить следующим образом. Электрический вектор электромагнитной волны ускоряет электроны в металле. Благодаря этому электроны в металле начинают "раскачиваться". Если эта "раскачка" носит резонансный характер, то амплитуда вынужденных колебаний электрона становится столь значительной, что электрон вырывается за пределы металла, т.е. происходит фотоэффект.

Однако объяснить количественные закономерности фотоэффекта с волновой точки зрения оказалось невозможным. Амплитуда вынужденных колебаний электрона с волновой точки зрения пропорциональна амплитуде вектора электрической напряженности падающей электромагнитной волны. С другой стороны, интенсивность светового потока прямо пропорциональна квадрату амплитуды вектора электрической напряженности в световой волне. То есть, с волновой точки зрения скорость вылетающих фотоэлектронов должна увеличиваться с увеличением интенсивности падающего света. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, "красной границы" фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не могла объяснить безынерционность фотоэффекта.

Вывод: второй и третий законы фотоэффекта не удается истолковать на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их "раскачивания" в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.

Необъясним и факт безынерционности фотоэффекта. Согласно классическим волновым представлениям требуется довольно значительное время для того, чтобы электромагнитная волна заданной интенсивности могла передать электрону энергию, достаточную для совершения им работы выхода.

Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта. Развивая идеи Планка о квантовании энергии атомовосцилляторов, Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве, и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов.

2. Фотоны.

Фотон – от греческого "свет" – элементарная частица, квант электромагнитного излучения.Термин введен Г.Н. Льюисом в 1929г.

Энергия фотона согласно гипотезе Планка:

eg = h * n = ћ * w, где

h = 6,63 * 1034 Дж*с, ћ = h / 2p = 1,05 * 1034 Дж*с – постоянная Планка (квант действия).

Масса фотона может быть получена из соотношения: mg = eg / с2 = h * n / c2.

Импульс фотона и его энергия в соответствии и его энергия в соответствии с общей формулой теории относительности связаны соотношением: eg = с * Öр2g + m20g * c2.

Для фотона m0g = 0, тогда рg = eg / с = h * n / c = mg * c. 

Если ввести волновое число k = 2p/ l, то выражение для рg можно переписать в форме:

рg = h * n / c = h / l = h * k / 2p = ћ * k.

Направление вектора импульса совпадает с направлением распространения света, характеризуемым волновым вектором k: рg = ћ * k (в векторах).

Из соотношения  eg = h * n = ћ * w и общих принципов теории относительности вытекает: 1) масса покоя фотона равна нулю; 2) фотон всегда движется со скоростью с.

Выражения для eg связывают корпускулярные характеристики фотона – массу, импульс, энергию – с волновой характеристикой света – его частотой n.

В этом факте проявляется корпускулярноволновой дуализм (двойственность) – это лежащее в основе квантовой теории представление о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты.

Волновые свойства сета играют определяющую роль в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации; а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом (фотоэффект, эффект Комптона и т.д.). Чем больше длина волны. Тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света; чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.

Нр: Красный свет: l = 7 *107м; mg = 3,2 *1036кг.

Рентген: l = 25*1012м; mg = 8,8 *1032кг.

Гаммалучи: l = 1,24 *1012м; mg = 1,8 *1030кг.

Однако волновой и квантовый способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, т.к. свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами. Он представляет собой диалектическое единство этих противоположных свойств.

В дальнейшем оказалось, что корпускулярноволновой дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам вещества.

Наглядно представить корпускулярноволновой дуализм невозможно. Отчасти трудности восприятия дуализма обусловлены особенностями нашего мышления. Наши зрительные образы (модели) основаны на том, что мы видим в повседневной жизни. Корпускулярноволновой дуализм существует реально, представление о нем – результат абстрагирующей деятельности разума высокого порядка.

3. Уравнение Эйнштейна.

Согласно гипотезе Эйнштейна в случае поглощения света веществом каждый поглощенный фотон передает свою энергию частице вещества, в частности, электрону.

Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Фотоэффект из атома, молекулы или конденсированной среды возможен изза связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде – работой выхода Ф.

 Закон сохранения энергии при фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна:

e = ћ * w ei , где ei – энергия ионизации атома, или e = ћ * w Ф.

При Т = 0 К и не очень высокой интенсивности света (когда многофотонные эффекты практически отсутствуют), фотоэффект не возможен, если ћ * w < ei или

ћ * w < Ф.

Фотоэффект в газах наблюдается на отдельных атомах или молекулах. Атом, поглощая фотон, испускает электрон и ионизируется. Вся энергия ионизации передается испускаемому электрону.

В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. При ћ * w ³ Ф излучение поглощается электронами проводимости (в Ме) или валентными электронами (в полупроводниках и диэлектриках). В результате этого наблюдается либо фотоэлектронная эмиссия, либо внутренний фотоэффект.

При ћ * w во много раз превышающих энергию межатомных связей в конденсированной среде (g кванты), фотоэлектроны могут вырываться из глубоких оболочек атома.

Рассмотрим фотоэлектронную эмиссию из металлов.

Фотоэмиссия результат трех последовательных процессов: поглощение фотона и появление электрона с высшей энергией; движение этого электрона к поверхности, при котором часть энергии электрона может рассеяться; выход электрона в другую среду через поверхность раздела.

Фотоэмиссия из металлов возникает, если энергия фотона ћ * w превышает работу выхода из Ме Ф.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: h * n = Ф + me * V2max / 2.

Þ второй закон фотоэффекта: h * n Ф = me * V2max / 2 = е * U0.

Таким образом, Vmax и U0 зависят только от частоты света и работы выхода электрона из фотокатода.

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света по линейному закону. Она обращается в нуль при частоте n0, соответствующей красной границе внешнего фотоэффекта: n0 = Ф / h.

То есть, красная граница зависит только от работы выхода электрона из металла.

Для чистых поверхностей большинства металлов Ф>3 эВ, поэтому фотоэмиссия из металлов может наблюдаться в видимой и ультрафиолетовой частях спектра (для щелочных металлов и Ва), и только в ультрафиолетовой области спектра (для всех других металлов).

Количественной характеристикой фотоэмиссии является квантовый выход Y число вылетевших электронов, приходящихся на один фотон, падающих на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов. Вблизи порога фотоэмиссии для большинства металлов Y ~ 104 электрон/фотон. Малость Y обусловлена тем, что свет проникает в металл на глубину ~ 105 см, и там в основном поглощается. Фотоэлектроны p движении к поверхности сильно взаимодействуют с электронами проводимости, которых в металле много, быстро рассеивают энергию. Энергию, достаточную для совершения работы выхода сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности, на глубине ~ 107 см. кроме того поверхность металла сильно отражает видимое и ближнее ультрафиолетовое излучения.

При очень больших интенсивностях света, достижимых с помощью лазера, наблюдается многофотонный (нелинейный) фотоэффект. При этом электрон может получить энергию не одного, а N фотонов.

В этом случае уравнение Эйнштейна: N * h * n = Ф + me * V2max / 2.

Красная граница Nфотонного фотоэффекта: n0 = Ф / N * h.

На главную