Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Фотоелектричний ефект (фотоефект) - це фізичний процес, в якому електрони взаємодіють зі світлом або будь-яким іншим електромагнітним випромінюванням. У цій статті ви дізнаєтесь про фізичні основи фотоелектричного ефекту. Ми також пояснимо три види цього явища і два експериментальні методи його виявлення.

Фотоелектричне явище - один з тих ефектів, відкриття якого стало результатом завзятої праці та багатогодинних лабораторних досліджень багатьох вчених. Перш ніж Альберт Ейнштейн пояснив цей ефект, ввівши поняття квантів, тобто порцій енергії, багато дослідників, серед яких були Генріх Герц і Олександр Столетов, ретельно вивчали різні аспекти цього явища.Ймовірно, ніхто з них не припускав, яке практичне значення матиме їхня робота.

Просте пояснення фотоефекту

Атоми або молекули містять пов'язані електрони. Коли світло потрапляє на молекули чи окремі атоми, за певних умов можлива взаємодія електронів зі світлом. Щоб зрозуміти фотоелектричний ефект, ми уявляємо світло як частинку (названу фотоном). Фотон має енергію E, яку можна обчислити за частотою f світла: E=hf .

Тут h - постійна Планка. Ця енергія поглинається електроном. Ви можете уявити це перенесення енергії як поглинання фотона електроном. Мінімальна енергія, яку електрони повинні поглинути, є їх енергією зв'язку, або, точніше, роботою виходу WA Тільки після цього електрон може звільнитися від атома або металу. Вивільнені електрони можуть бути виміряні у вигляді електричного струму.

Види фотоефекту

Існує три різні різновиди фотоелектричного ефекту, з якими ми познайомимо вас далі.

Зовнішній фотоефект

Зовнішній фотоелектричний ефект - це явище емісії електронів з металу під впливом електромагнітного випромінювання. Механізм явища полягає в тому, що фотони випромінювання передають свою енергію електронам, що призводить до їхньої емісії за межі металу. Максимальна кінетична енергія електрона дорівнює енергії фотона мінус робота виходу. Робота виходу - це енергія зв'язку електрона в металі, зазвичай близько кількох електрон-вольт.

Детальніше пояснення.

Коли фотони потрапляють у метал чи напівпровідник, вони передають свою енергію електронам. Частина енергії необхідна для того, щоб звільнити електрони від атомного зв'язку та дозволити їм піти з поверхні металу (робота виходу WA). Ця взаємодія називається зовнішнім фотоелектричним ефектом.Залишкова енергія служить прискорення електронів. Енергетичне співвідношення наступне: hf=Ekin+ WA , де

де Ekin- це кінетична енергія вивільнених електронів. Тому кінетична енергія фотоелектрона описується формулою: Ekin=hf -

Ми бачимо, що повинна існувати гранична частота fгр,вище за яку електрони взагалі не можуть бути звільнені. Це випливає з рівняння: hfгр=WA і залежить від матеріалу. Робота виходу для металів зазвичай становить кілька еВ.

Альберт Ейнштейн вивчив зовнішній фотоелектричний ефект за допомогою квантування світла. Таким чином, зовнішній фотоелектричний ефект являє собою важливу віху у розвитку квантової механіки.

Внутрішній фотоефект

Внутрішній фотоелектричний ефект також ґрунтується на передачі енергії фотонів електронам. Проте вони залишають матеріал, у якому перебувають, а змінюють електронну оболонку в атомі.Це може призвести до зміни провідності матеріалу і, отже, протікання електричного струму.

Детальніше пояснення.

Внутрішній фотоефект виникає у напівпровідниках - матеріалах, електропровідність яких менша, ніж у провідників, і більша, ніж у ізоляторів. Щоб краще зрозуміти його механізм, пригадаймо зонну теорію провідності. Електронні енергетичні рівні в напівпровідниках відносяться до двох груп - валентної зони та зони провідності. Ці зони енергетично розділені збудженою областю. Електрони з енергією у валентній зоні пов'язані в атомах і не беруть участь у перебігу електричного струму. Електрони з енергією, що належить зоні провідності, вільні і можуть рухатися під дією напруги, тобто. проводити електричний струм.

Зміна енергії електрона від енергії валентної зони до енергії зони провідності при поглинанні енергії фотона електромагнітного випромінювання називається внутрішнім фотоелектричним ефектом.

У результаті смуга провідності збагачується вільним носієм негативного заряду - електроном, а валентна зона збагачується електронною діркою, тобто. вакансією, залишеною електроном, яка також бере участь у перебігу електричного струму. Це збільшує провідність матеріалу.

Для того щоб електрони піднялися в смугу провідності, енергія опроміненого світла повинна бути більшою, ніж ширина забороненої зони. Ширина забороненої зони відноситься до різниці енергій між валентною зоною та зоною провідності.

Напівпровідник, що складається з одного чистого матеріалу, називається власним напівпровідником. У таких матеріалах число негативних носіїв заряду в зоні провідності - електронів - дорівнює кількості позитивних зарядів у валентній зоні - дірок. Насправді, проте, часто використовуються леговані напівпровідники, тобто. збагачені невеликою кількістю іншого матеріалу. Залежно від типу легуючого елемента розрізняють два типи напівпровідників: n-типу та p-типу.У напівпровіднику p-типу переважають дірки. Важливо пам'ятати, що йдеться лише про носіях заряду, що беруть участь у проведенні електрики, весь кристал електрично нейтральний.

Внутрішній фотоефект також має місце у сонячних батареях. Коли світло потрапляє на прикордонний шар сонячного елемента (дуже тонка область на поверхні з електричним полем), електрони вивільняються із кристалічного зв'язку та рухаються в електричному полі. Цей електричний струм може бути сприйнятий споживачем і викликає фотонапругу.

Молекулярний фотоефект / атомний фотоефект

Якщо опромінені фотони вивільняють електрон з окремих атомів або молекул, вони електрично заряджаються або іонізуються недостатнім електроном. Це називається фотоіонізацією та спостерігається, наприклад, за допомогою рентгенівських променів. Для молекулярного фотоелектричного ефекту потрібно набагато більш високочастотне світло, оскільки електрони міцно пов'язані в атомах.

Формула фотоелектричного ефекту

Ми використовуємо наступне співвідношення для розрахунку фізичних величин: hf=Ekin+ WA

Якщо світло має енергію, достатню для викиду електронів, ми можемо обчислити граничну частоту за такою формулою: fгр=WA / h .

Використовуючи формулу для кінетичної енергії, ми визначаємо швидкість звільнених електронів за формулою:

Методи виявлення фотоефекту

Далі ми покажемо вам два методи виявлення фотоелектричного ефекту і, отже, виходу електронів.

Метод зустрічного поля

У методі зустрічного поля металевий катод опромінюється монохроматичним світлом із частотою f. Без напруги можна виявити фотострум. Якщо додати протидіючу напругу UGтак, щоб катод був заряджений позитивно, а анод - негативно, то електрони, що вивільняються зовнішнім фотоелектричним ефектом, уповільнюються.Необхідна для цього робота: W=eUG .

Мал. 1. Фотоефект: метод зустрічного поля

Якщо напруга настільки велика, що електрони не досягають анода, то застосовується таке співвідношення: Ekin=eUG .

Зустрічне поле повністю компенсує кінетичну енергію електронів. З цієї залежності ми можемо визначити швидкість електронів. Метод зустрічного поля також дає можливість визначити постійну Планка h. При відомій роботі виходу h можна знайти з рівняння: hf=eUG+ WA

Стержень з фотоефектом

Ми можемо відтворити фотоелектричний ефект в експерименті зі стрижнем із ПВХ та металевою пластиною, підключеною до електрометра. Якщо стрижень негативно заряджений у результаті тертя, він має надлишок електронів. Металева пластина нейтральна, електрометр не відхиляється.

Мал. 2. Стрижневий метод – початковий стан

Якщо привести стрижень у контакт із пластиною, то надмірний заряд у стрижні врівноважується. В результаті на пластині з'являється надлишок електронів, і електрометр показує негативне значення.

Мал. 3. Компенсація надлишкового заряду у стрижні

Якщо опромінювати металеву пластину лампою з парами ртуті, електрометр стає позитивним. Електрони вивільняються із пластини під дією зовнішнього фотоелектричного ефекту. У металевій пластині не вистачає електронів.

Мал. 4. Опромінення металевої пластини

Застосування фотоефекту

Сьогодні зовнішній та внутрішній фотоелектричний ефект лежать в основі таких поширених пристроїв, як фотоелементи, сонячні батареї або ПЗЗ-матриці.

Фотоелемент.

Мал. 5. Фотографія фотоелемента у 1940-х роках. Джерело фото: Antonio Pedreira [Public domain], via Wikimedia Commons]

Найбільш поширеним пристроєм, що використовує зовнішнє фотоелектричне явище, є фотоелемент. Перші фотоелементи були розроблені ще у 1890-х роках та почали широко використовуватися у першій половині 20-го століття. Найпростіший фотоелемент складається з двох електродів, катода та анода, поміщених у вакуумну колбу.

Між електродами прикладається напруга так, щоб катод був з'єднаний з позитивним полюсом напруги живлення. Якщо електромагнітне випромінювання не потрапляє на катод, то електричний струм у ланцюгу не тече. Коли катод висвітлюється випромінюванням з енергією фотонів, що перевищує роботу виходу матеріалу катода, електрони вибиваються з катода і мігрують до анода, викликаючи перебіг електричного струму. Висвітлений фотоелемент проводить електричний струм.

Схеми, що містять фотоелемент, можуть використовуватися, наприклад, для освітлення вуличних ліхтарів. Лампи спалахують у сутінках. Механізм, що змушує їх світитися, реагує на відсутність світла, тобто припинення протікання електричного струму в ланцюзі, що містить фотоелемент. Приклад такої схеми подано на рис. 6.

Мал. 6. Схема вуличного ліхтаря, який автоматично загоряється після настання темряви

Освітлений фотоелемент проводить електричний струм. У ланцюзі знаходиться електромагніт. Якщо через електромагніт проходить електричний струм, магнітне поле, що створюється, притягує важіль вимикача, розмикаючи ланцюг лампи, і лампа вимикається. Коли світло переривається, електричний струм у ланцюзі фотоелемента припиняється, електромагніт вимикається, ланцюг лампи замикається, і лампа остаточно запалюється.

Фотоелектронний помножувач.

Мал. 7. Фотопомножувач. Джерело фото

Фотоумножители - це пристрої, що використовуються для вимірювання світла. Найчастіше вони підключаються до сцинтилятора, який є матеріалом, що поглинає іонізуюче випромінювання (наприклад, гамма- або бета-випромінювання) і випромінює видиме або ультрафіолетове світло. Випромінене світло поглинається фотоумножителем і перетворюється на електричний сигнал.

Сцинтилятор у поєднанні з фотоумножителем є детектор іонізуючого випромінювання, тобто. пристрій, який поглинає іонізуюче випромінювання та генерує електричний сигнал залежно від поглиненого випромінювання.

Влаштування фотопомножувача дуже схоже на пристрій вакуумного фотоелемента. Його найважливішими елементами є фотокатод, де відбувається зовнішній фотоелектричний ефект, та анод, де накопичується заряд. Крім того, в області між катодом та анодом знаходиться ряд електродів, завдання яких – посилити заряд, тобто збільшити кількість електронів, які потрапляють на анод.Ці електроди називаються динодами. Усі три типи електродів поміщаються у сильне електричне поле. Механізм роботи фотомножника показаний на рис. 8.

Мал. 8. Схема побудови фотоумножувача.

Фотони світла, що випускаються сцинтилятором, досягають фотокатода, викликаючи емісію електрона під дією зовнішнього фотоелектричного явища. Електрон прискорюється в електричному полі, що призводить до збільшення його кінетичної енергії.

При зіткненні з динодом електрон викликає випромінювання кількох вторинних електронів, які також прискорюються і множаться при зіткненні з іншим динодом. Кількість електронів збільшується експоненційно, тому кінцевий електричний сигнал, що досягає анода, може бути виміряний.

Фотопомножувачі характеризуються високою чутливістю. Це означає, що їх можна використовувати для виміру світла дуже низької інтенсивності. У цьому відношенні вони явно перевершують ПЗС-матриці.

Фотоелектричний (сонячний елемент).

Фотоелектричний елемент - це пристрій, в якому енергія фотона світлі перетворюється на електричну енергію.

У сонячних батареях використовуються p-n-переходи. Фотони, що падають на межу поділу напівпровідників, викликають вибивання електронів з валентного шару шар провідності, тобто. утворюється електронно-діркова пара. Через просторовий розподіл зарядів на p-n-переході електрони дифундують до напівпровідника n-типу, а дірки дифундують до напівпровідника p-типу і залишаються там. Накопичення заряду створює різницю потенціалів межі розділу, тобто. електрична напруга. У цьому процесі енергія сонячного світла безпосередньо перетворюється на електричну енергію. Тому він є чудовим джерелом електричної енергії. Однак варто пам'ятати, що для зберігання електричної енергії потрібні батареї.

ПЗС-матриця.

ПЗС-матриця - це світлочутливий елемент, який витіснив традиційну фотоплівку, відкривши шлях до створення та розповсюдження цифрової фотографії.Матриця складається з множини напівпровідникових пікселів розміром близько десятка квадратних міліметрів. Світло, що падає на напівпровідниковий піксель, призводить до вибивання електрона з валентної зони. На кожен піксель наноситься електрод для збирання та зберігання заряду.

Розмір заряду залежить від інтенсивності світла, що висвітлює піксель. Сама ПЗЗ-матриця не розрізняє кольори. Ця функція реалізується за допомогою кольорових фільтрів із трьома основними кольорами - червоним, зеленим та синім. Важливим параметром для ПЗЗ є їхня квантова ефективність, яка визначає, який відсоток падаючого світла вловлюється. Сучасні матриці мають квантову ефективність 70%, що більш ніж у 10 разів вище, ніж у традиційної фотоплівки.

Приклад завдання фотоефекту

Ми опромінюємо вольфрамову пластину (робота виходу WA=4,6 еВ) монохроматичним світлом з частотою f=6,751015Гц. Ми хочемо дізнатися, чи достатньо енергії світла для вивільнення електронів із пластини?

Для цього ми обчислюємо граничну частоту:

fгр=WA/ h=4,6 ЕВ / 6,62610⁻³⁴ Джс=7,37-19Дж / 6,62610⁻³⁴ Джс=1,111015 Гц

Частота опромінюваного світла перевищує це значення. Тому електрони вивільняються внаслідок фотоелектричного ефекту. Швидкість цих електронів становить:

Список використаної літератури

    Ворончев Т. А., Соболєв В. Д. Фізичні основи електровакуумної техніки. – М.: Вища школа, 1967. – с. 217-220
  1. Тауц Я. Фото- та термоелектричні явища в напівпровідниках. - М.: ІЛ, 1962. - С. 141.
    2. Мякішев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругін В. М. Фізика. 11 клас. Підручник для загальноосвітніх організацій М.: Просвітництво, 2017. – С. 259 – 267.
  2. Елементарний підручник фізики Навчальний посібник у 3 т/під редакцією академіка Ландсберга Г. С.: Т.3. Коливання та хвилі. Оптика. Атомна та ядерна фізика. - 12-те вид. - М: ФІЗМАТЛІТ, 2001. С. 422 - 429.
  3. Ривкін С. М. Фотоелектричні явища в напівпровідниках. - М.: Фізматліт, 1963. - 494 с.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво