Фотоэффект как был открыт

Nav view search

Навигация

Искать

Фотоэффект

Испускание электронов веществом под действием света называется фотоэффектом.

Явление фотоэффекта демонстрирует простой опыт. Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

Александр Григорьевич Столетов

Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?

Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.

История открытия

Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.

В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите).

Александр Эдмонд Беккерель

В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.

Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.

В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.

Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод, сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод, представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение. Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.

Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол. Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи. И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.

Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.

В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами.

А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.

Внешний фотоэффект

Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом, или фотоэлектронной эмиссией. Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами. Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком.

Первый закон фотоэффекта

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока. Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.

Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.

Второй закон фотоэффекта

Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:

Из закона сохранения энергии вытекает равенство:

h·ν=φ + m v 2 /2

Третий закон фотоэффекта

Внутренний фотоэффект

Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).

Применение фотоэффекта

Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами. Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.

Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки. Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их используют в телескопах и солнечных батареях.

Источник

Фотоэффекты

Открытие фотоэффекта

Во второй половине XIX в. Г. Герц исследовал условия возникновения электрического пробоя промежутка между электродами. Было обнаружено, что пробой (возникновение искры) сильно облегчается, если освещать электроды ультрафиолетовым излучением. Это явление было названо фотоэффектом. Г. Герц опубликовал результаты своих наблюдений, однако никакого объяснения им он не дал. Первым исследователем, тщательно изучившим фотоэффект, был А. Столетов. Он же разработал первую теоретическую модель фотоэффекта.

Схема опыта А. Столетова следующая. Используется запаянная колба с вакуумом, в которую введены два электрода. К электродам подключено внешнее напряжение, катод может освещаться через специальное кварцевое окно (обычное стекло задерживает ультрафиолетовые лучи). Для определения тока в цепи используется амперметр.

Рис. 1. Опыт Столетова: фотоэффект.

Если катод затемнен, ток в цепи не идет. Освещение катода приводит к появлению тока, даже если напряжение между электродами равно нулю. При увеличении этого напряжения ток сперва растет, а потом достигает насыщения и далее остается постоянным. При подаче обратного напряжения ток начинает уменьшаться, пока не уменьшится до нуля.

На основе наблюдений А. Столетов вывел закон фотоэффекта: сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения.

Рис. 2. График фототока от напряжения.

Объяснение фотоэффекта

С открытием электрона стало ясно, что фотоэффект — это выбивание электронов из вещества. Причем фотоэффект может быть внешним — когда электроны покидают вещество, — а может быть внутренним — когда электроны остаются внутри вещества, лишь меняют свое энергетическое состояние.

Кроме того, было открыто важное свойство фотоэффекта: кинетическая энергия выбитых электронов не зависела от интенсивности облучения. Но она зависела от его частоты. И при некоторой частоте фотоэффект вообще исчезал. Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта».

Попытки объяснения фотоэффекта на основе теории Максвелла терпели неудачу. Непрерывная электромагнитная волна должна была увеличивать кинетическую энергию при увеличении интенсивности.

Эта формула фотоэффекта объясняет все особенности этого явления.

Увеличение интенсивности света увеличивает число квантов, выбивающих электроны, то есть она пропорциональна числу выбитых электронов. А кинетическая энергия выбитых электронов зависит только от частоты кванта (поскольку работа выхода остается одинаковой).

Кроме того, эта же формула объясняет красную границу фотоэффекта: если частота излучения слишком низка и энергия кванта оказывается меньше работы выхода, фотоэффект исчезает.

Рис. 3. Применение фотоэффекта.

Что мы узнали?

Из курса физики 11 класса известно, что электроны могут покидать атомы вещества под действием излучения. Это явление названо фотоэффектом. Если электроны покидают вещество, то говорят о внешнем фотоэффекте. Если электроны остаются в веществе, лишь меняя свой энергетический уровень, — это внутренний фотоэффект. Теория фотоэффекта была разработана А. Эйнштейном.

Источник

История открытия фотоэффекта

Содержание

1. История открытия фотоэффекта

2. Законы Столетова

3. Уравнение Эйнштейна

4. Внутренний фотоэффект

5. Применение явления фотоэффекта

Введение

Многочисленные оптические явления непротиворечиво объясняли, исходя из представлений о волновой природе света. Однако в конце XIX – начале XX в. были открыты и изучены такие явления, как фотоэффект, рентгеновское излучение, эффект Комптона, излучение атомов и молекул, тепловое излучение и другие, объяснение которых с волновой точки зрения оказалось невозможным. Объяснение новых экспериментальных фактов было получено на основе корпускулярных представлений о природе света. Возникла парадоксальная ситуация, связанная с применением совершенно противоположных физических моделей волны и частицы для объяснения оптических явлений. В одних явлениях свет проявлял волновые свойства, в других – корпускулярные.

История открытия фотоэффекта

Открытие фотоэффекта следует отнести к 1887 г., когда Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Явление, обнаруженное Герцом, можно наблюдать на следующем легко осуществимом опыте (рис. 1).

Величина искрового промежутка F подбирается таким образом, что в схеме, состоящей из трансформатора Т и конденсатора С, искра проскакивает с трудом (один – два раза в минуту). Если осветить электроды F, сделанные из чистого цинка, светом ртутной лампы Hg, то разряд конденсатора значительно облегчается: искра начинает проскакивать Рис. 1. Схема опыта Герца.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза – если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантовых порций. Из представления о свете как о частицах (фотонах) немедленно следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

,

где – кинетическая энергия вылетающего электрона, – работа выхода для данного вещества, – частота падающего света, – постоянная Планка, которая оказалась ровно той же, что и в формуле Планка для излучения абсолютно чёрного тела.

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта. Таким образом, исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантово – механических исследований.

Законы Столетова

Впервые (1888–1890), подробно анализируя явление фотоэффекта, русский физик А.Г. Столетов получил принципиально важные результаты. В отличие от предыдущих исследователей он брал малую разность потенциалов между электродами. Схема опыта Столетова представлена на рис. 2.

Два электрода (один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены к батарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силы тока. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов пришел к выводу, что наиболее эффективное действие оказывают ультрафиолетовые лучи. Кроме того, было установлено, что сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

В 1898 г. Ленард и Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном полях определили удельный заряд заряженных частиц, вырываемых Рис. 2. Схема опыта Столетова.

светом из катода, и получили выражение

СГСЕ ед. з/г, совпадающее с известным удельным зарядом электрона. Отсюда следовало, что под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода.

Путем обобщения полученных результатов были установлены следующие закономерности фотоэффекта:

1.При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2.Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3.Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины , называемой красной границей.

Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроны покидают металл; тогда и наблюдается фотоэффект.

Ввиду того, что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора, число вырванных электронов растет с увеличением интенсивности света.

Вторая и третья закономерности фотоэффекта законами классической физики не объясняются.

Изучая зависимость фототока (рис. 3), возникающего при облучении металла потоком монохроматического света, от разности потенциалов между электродами (такая зависимость обычно называется вольт – амперной характеристикой фототока), установили, что: 1) фототок возникает не только при , но и при ; 2) фототок отличен от нуля до строго определенного для данного металла отрицательного значения разности потенциалов , так называемого задерживающего потенциала; 3) величина запирающего (задерживающего) потенциала не зависит от интенсивности падающего света; 4) фототок растет с уменьшением абсолютного значения задерживающего потенциала; 5) величина фототока растет с ростом и с какого-то определенного значения фототок (так называемый ток насыщения) становится постоянным; 6) величина тока насыщения растет с увеличением интенсивности падающего света; 7) величина задерживающего Рис. 3. Характеристика

потенциала зависит от частоты падающего света; фототока.

8) скорость вырванных под действием света электронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты. [2]

Уравнение Эйнштейна

Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света, что подтверждает квантовую природу света.

Как уже было отмечено, Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых:

,

,

где – единичный вектор, направленный по волновому вектору. Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

, (1)

где — работа выхода электрона из металла, – скорость фотоэлектрона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тратится на совершение работы выхода электрона металла, оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию .

Как следует из (1), фотоэффект в металлах может возникнуть только при , в противном случае энергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света , под действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия

,

. (2)

Частота света, определяемая условием (2), называется «красной границей» фотоэффекта. Слово «красная» не имеет никакого отношения к цвету света, при котором происходит фотоэффект. В зависимости от рода металлов «красная граница» фотоэффекта может соответствовать красному, желтому, фиолетовому, ультрафиолетовому свету и т. д.

С помощью формулы Эйнштейна можно объяснить и другие закономерности фотоэффекта.

Положим, что , т. е. между анодом и катодом существует тормозящий потенциал. Если кинетическая энергия электронов достаточна, то они, преодолев тормозящее поле, создают фототок. В фототоке участвуют те электроны, для которых удовлетворяется условие . Величина задерживающего потенциала определяется из условия

, (3)

где – максимальная скорость вырванных электронов. Рис. 4.

Подставив (3) в (1), получим

,

.

Таким образом, величина задерживающего потенциала не зависит от интенсивности, а зависит только от частоты падающего света.

Работу выхода электронов из металла и постоянную Планка можно определить, построив график зависимости от частоты падающего света (рис. 4). Как видно, и отрезок, отсекаемый от оси потенциала, дает .

Ввиду того, что интенсивность света прямо пропорциональна количеству фотонов, увеличение интенсивности падающего света приводит к увеличению числа вырванных электронов, т. е. к увеличению фототока.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта в неметаллах имеет вид

.

Наличие – работы отрыва связанного электрона от атома внутри неметаллов – объясняется тем, что в отличие от металлов, где имеются свободные электроны, в неметаллах электроны находятся в связанном с атомами состоянии. Очевидно, при падении света на неметаллы часть световой энергии тратится на фотоэффект в атоме – на отрыв электрона от атома, а оставшаяся часть тратится на работу выхода электрона и сообщение электрону кинетической энергии. [2]

Электроны проводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве. Это объясняется тем, что металл представляет для них потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обуславливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколько межатомных расстояний и затем поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой (рис. 5; кружки – ионы, черные точки – электроны). Силы, действующие на электрон в таком слое,направлены внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона (рис. 5).

Таким образом, потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем вне металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы (рис. 6). Изменение энергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний, поэтому стенки ямы можно считать вертикальными.

Потенциальная энергия электрона Рис. 6.

и потенциал той точки, в которой находится электрон, имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что потенциал внутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости к его поверхности, на величину .

Сообщение металлу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал как на поверхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электрона соответственно уменьшается (рис. 7, а).

За начало отсчета приняты значения потенциала и потенциальной энергии на бесконечности. Сообщение отрицательного заряда понижает потенциал внутри и вне металла. Соответственно потенциальная энергия электрона возрастает (рис. 7, б).

Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий. При абсолютном нуле значения кинетической энергии электронов проводимости заключены в пределах от нуля до совпадающей с уровнем ферми энергии . На рис. 8 энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (пунктиром изображены незанятые при 0К уровни). Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить не одинаковую энергию. Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию ; для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия .

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода. Работа выхода электрона из металла определяется выражением

. (4)

Мы получили это выражение в предположении, что температура металла равна 0К. При других температурах работу выхода также определяют как разность глубины потенциальной ямы и уровня Ферми, т. е. распространяют определение (4) на любые температуры. Это же определение применяется и для полупроводников.

Уровень Ферми зависит от температуры. Кроме того, из – за обусловленного тепловым расширением изменения средних расстояний между атомами слегка изменяется глубина потенциальной ямы . Это приводит к тому, что работа выхода немного зависит от температуры.

Работа выхода очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к ее чистоте. Подобрав надлежащим образом Рис. 8.

покрытие поверхности, можно сильно снизить работу выхода. Так, например, нанесение на поверхность вольфрама слоя окисла щелочноземельного металла (Ca, Sr, Ba) снижает работу выхода с 4,5 эВ (для чистого W) до 1,5 – 2 эВ. [4]

Внутренний фотоэффект

В неоднородных полупроводниках наряду с изменением проводимости наблюдается также образование разности потенциалов (фото – э.д.с.). Это явление (фотогальванический эффект) обусловлено тем, что в силу однородностей проводимости полупроводников происходит пространственное разделение внутри объема проводника оптически возбужденных электронов, несущих отрицательный заряд и микрозон (дырок), возникающих в непосредственной близости от атомов, от которых оторвались электроны, и подобно частицам несущих положительный элементарный заряд. Электроны и дырки концентрируются на разных концах полупроводника, вследствие чего и возникает электродвижущая сила, благодаря которой и вырабатывается без приложения внешней э.д.с. электрический ток в нагрузке, подключенной параллельно освещенному полупроводнику. Таким образом достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую. Именно по этой причине фотогальванические приемники света и используются не только для регистрации световых сигналов, Нои в электрических цепях как источники электрической энергии.

Основные промышленно выпускаемые типы таких приемников работают на основе селена и сернистого серебра. Весьма распространен также кремний, германий и ряд соединений – GaAs, InSb, CdTeи другие. Фотогальванические элементы, используемые для преобразования солнечной энергии в электрическую, приобрели особенно широкое применение в космических исследованиях как источники бортового питания. Они обладают относительно высоким коэффициентом полезного действия (до 20 %), весьма удобны в условиях автономного полета космического корабля. В современных солнечных элементах в зависимости от полупроводникового материала фото – э.д.с. достигает 1 – 2 В, съем тока с – нескольких десятков миллиампер, а на 1 кг массы выходная мощность достигает сотен ватт. [1]

Источник