Объяснение законов фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта

Cтраница 1

Явление фотоэффекта, открытое в 1887 г. Герцем и детально исследованное А. Г. Столетовым, состоит в том, что металлы (или полупроводники) при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект исходя из волновой теории света невозможно. Однако вылет электронов наблюдается сразу же после освещения металла. Кроме того, согласно волновой теории, энергия Е3 электронов, испускаемых металлом, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. Однако было установлено, что Еэ от интенсивности света не зависит, а зависит от его частоты, увеличиваясь с ростом v; возрастание интенсивности приводит лишь к увеличению числа вылетающих из металла электронов.  

Явление фотоэффекта заключается в вырывании электронов из вещества падающим на него светом. Основные черты этого явления сводятся к следующему. Пучок света, падающий на поверхность металла, освобождает из металла электроны при условии, что частота света выше определенного критического значения, зависящего от рода металла. Количество вырываемых в единицу времени электронов при неизменном спектральном составе излучения пропорционально падающему на поверхность металла световому потоку.  

Явление фотоэффекта можно использовать также в р-п-переходе, на который подано обратное напряжение.  

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра.  

Явление фотоэффекта, открытое в 1889 г. А. Г. Столетовым, состоит в том, что металлы (или полупроводники) при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект, исходя из волновой теории света, невозможно. Однако вылет электронов наблюдается сразу же после освещения металла. Кроме того, согласно волновой теории, энергия Еа электронов, испускаемых металлом, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. Однако было установлено, что Еэ от интенсивности света не зависит, а зависит от его частоты, увеличиваясь с ростом v; возрастание интенсивности приводит лишь к увеличению числа вылетающих из металла электронов.  

Явление фотоэффекта, открытое А. Г. Столетовым в 1888 г., заключается в том, что под действием света с поверхности различных тел вырываются электроны, вследствие чего данное тело приобретает заряд. Причем это явление наблюдается только при условии, если энергия светового кванта больше работы, необходимой для отрыва электрона с поверхности данного вещества, и сообщения ему некоторой кинетической энергии.  

Явление фотоэффекта состоит в том, что лучи света, падая на любое тело (независимо от его химической природы и физического состояния), выбивают из него электроны.  

Явление фотоэффекта было впервые обнаружено в 1819 г. русским химиком Гротгусом.  

Впервые явление фотоэффекта было замечено Герцем в 1887 г. Герц обнаружил, что облучение искрового промежутка ультрафиолетовыми лучами облегчает разряд.  

Сущность явления фотоэффекта состоит в том, что при освещении поверхности металлов или полупроводников частицы лучистой энергии проникают в поверхностные слои освещенного тела и сообщают его электронам дополнительную энергию. В результате этого электроны освещенного тела начинают двигаться с большими скоростями и выходят со своих обычных орбит движения. Это явление убыстрения движения электронов освещенного тела под действием лучистой энергии и названо явлением фотоэффекта.  

В явлении фотоэффекта электроны, вырываемые с поверхности металла излучением частотой 2 - 104 Гц, полностью задерживаются тормозящим полем при разности потенциалов 7 В, а при частоте 4 - Ю1 Гц - при разности потенциалов 15 В.  

§ 3 . Фотоэффект

Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света.

Обнаружил явление фотоэффекта Генрих Герц (1857 – 1894) в 1887 году. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами.

Затем в1888-1890 -х годах фотоэффект исследовал Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896).

Он установил, что:

наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

с ростом светового потока растет фототок;

заряд частиц, вылетающих из твердых и жидких тел под действием света отрицателен.

Параллельно со Столетовым фотоэффект исследовал немецкий ученый Филипп Ленард (1862 – 1947).

Они и установили основные законы фотоэффекта.

Прежде чем сформулировать эти законы, рассмотрим современную схему для наблюдения и исследования фотоэффекта. Она проста. В стеклянных баллон впаяны два электрода (катод и анод), на которые подается напряжениеU. В отсутствии света амперметр показывает, что тока в цепи нет.

Когда катод освещается светом даже при отсутствии напряжения между катодом и анодом амперметр показывает наличие небольшого тока в цепи – фототока. То есть электроны, вылетевшие из катода, обладают некоторой кинетической энергией
и достигают анода «самостоятельно».

При увеличении напряжения фототок растет.

Зависимость величины фототока от величины напряжения между катодом и анодом называется вольтамперной характеристикой.

Она имеет следующий вид. При одной и той же интенсивности монохроматического света с ростом напряжения ток сначала растет, но затем его рост прекращается.Начиная с некоторого значения ускоряющего напряжения, фототок перестает изменяться, достигая своего максимального (при данной интенсивности света) значения. Этот фототок называется током насыщения.

Чтобы «запереть» фотоэлемент, то есть фототок уменьшить до нуля, необходимо подать «запирающее напряжение»
. В этом случае электростатическое поле совершает работу и тормозит вылетевшие фотоэлектроны

. (1)

Это означает, что ни один из вылетающих из металла электронов не достигает анода, если потенциал анода ниже потенциала катода на величину
.

Эксперимент показал, чтопри изменении частоты падающего света начальная точка графика сдвигается по оси напряжений. Из этого следует, что величина запирающего напряжения, а, следовательно, кинетическая энергия и максимальная скорость вылетающих электронов, зависят от частоты падающего света.

Первый закон фотоэффекта . Величина максимальной скорости вылетающих электронов зависит от частоты падающего излучения (растет с ростом частоты) и не зависит от его интенсивности.

Если сравнить вольтамперные характеристики, полученные при разных значениях интенсивности (на рисункеI 1 и I 2) падающего монохроматического (одночастотного) света, то можно заметить следующее.

Во-первых, все вольтамперные характеристики берут начало в одной и той же точке, то есть, при любой интенсивности света фототок обращается в ноль при конкретном (для каждого значения частоты) задерживающем напряжении
. Это является еще одним подтверждением верности первого закона фотоэффекта.

Во-вторых. При увеличении интенсивности падающего света характер зависимости тока от напряжения не изменяется, лишь увеличивается величина тока насыщения.

Второй закон фотоэффекта . Величина тока насыщения пропорциональная величине светового потока.

При изучении фотоэффекта было установлено, что не всякое излучение вызывает фотоэффект.

Третий закон фотоэффекта . Для каждого вещества существует минимальная частота (максимальная длина волны) при которой еще возможен фотоэффект.

Эту длину волны называют «красной границей фотоэффекта» (а частоту – соответствующей красной границе фотоэффекта).

Через 5 лет после появления работы Макса Планка Альберт Эйнштейн использовал идею дискретности излучения света для объяснения закономерностей фотоэффекта. эйнштейн предположил, что свет не только излучается порциями, но и распространяется и поглощается порциями. Это означает, что дискретность электромагнитных волн – это свойство самого излучения, а не результат взаимодействия излучения с веществом. По Эйнштейну, квант излучения во многом напоминает частицу. Квант либо поглощается целиком, либо не поглощается вовсе. Эйнштейн представил вылет фотоэлектрона как результат столкновения фотона с электроном металла, при котором вся энергия фотона передается электрону. Так Эйнштейн создал квантовую теорию света и, исходя из нее, написал уравнение для фотоэффекта:

.

Здесь – постоянная Планка,– частота,
– работа выхода электрона из металла,
– масса покоя электрона,v – скорость электрона.

Это уравнение объясняло все экспериментально установленные законы фотоэффекта.

Так как работа выхода электрона из вещества постоянна, то, с ростом частоты, растет и скорость электронов.

Каждый фотон выбивает один электрон. Следовательно, количество выбитых электронов не может быть больше числа фотонов. Когда все выбитые электроны достигнут анода, фототок расти прекращает. С ростом интенсивности света растет и число фотонов, падающих на поверхность вещества. Следовательно, увеличивается число электронов, которые эти фотоны выбивают. При этом растет фототок насыщения.

Если энергии фотоны хватает лишь на совершение работы выхода, то скорость вылетающий электронов будет равна нулю. Это и есть «красная граница» фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект наблюдается в кристаллических полупроводниках и диэлектриках. Он состоит в том, что под действием облучения увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока (электронов и дырок).

Иногда это явление называют фотопроводимостью.

Как бы ни был среднестатистический человек далёк в своей повседневной жизни от пройденной некогда школьной программы, она нет-нет да и заставит о себе вспомнить. Именно так происходит, когда речь заходит о явлении внешнего фотоэффекта.

Определение

Фотоэффектом в физике принято считать процесс выравнивания электронов в атомах, молекулах вещества, который возникает и происходит под воздействием света. А внешний фотоэффект - процесс, при котором электроны выбиваются светом с такой силой, что вылетают за внешние пределы своего вещества.

Немного истории и практики

Впервые на этот удивительный факт обратил внимание учёный-физик из Германии в далёком 1887-м году. Изучение открытия было продолжено коллегой Герца, русским физиком Столетовым. А гениальный Эйнштейн разработал теорию фотоэффекта на основе идей С тех пор внешний фотоэффект изучен достаточно глубоко и разносторонне, а полученные знания применяются в полном объёме при разработке и производстве приборов на основе фотоэлементов. Если брать самый элементарный пример, то это автоматические работающие на фотоэлементах.

Механизмы такого типа работают на Однако фотоэлементы, которые используют только внешний фотоэффект, трансформируют энергию, получаемую при излучении, в электрическую не полностью. Поэтому применять их в качестве источников электроэнергии особого смысла нет, чего не скажешь об автоматике. Именно при помощи световых пучков происходит управление электроцепями в автоматических механизмах.

Без преувеличения можно утверждать, что открытие фотоэффекта стало поистине революционным событием в физике. Вот самые значимые его последствия:

• перед учёными приоткрылась тайна природы света, светового луча;
• кино из немого стало «говорящим», были придуманы способы озвучки, да и сам факт передачи движущегося изображения тоже стал возможен благодаря фотоэффекту;
• создание на основе фотоэлектронных приборов таких станков и «умных машин», которые по заданным параметрам без участия человека изготавливают различные детали;
• множество различных механизмов, основанных на работе фотоэлектронной автоматики.

Таким образом, сам фотоэффект и его применение стали своего рода прорывом в современной технике.

Классификация фотоэлементов

Фотоэффекты делятся на несколько видов в зависимости от своих свойств и выполняемых функций.

1. Внешний фотоэффект (по-другому - фотоэлектронная эмиссия). Электроны, которые вылетают за пределы вещества при его возникновении, получили название фотоэлектронов. А который они образуют, когда упорядоченно движутся по внешнему электрическому полю, стал называться фототоком.
2. Внутренний фотоэффект, влияющий на фотопроводимость вещества. Он возникает, когда электроны перераспределяются по полупроводникам и диэлектрикам в зависимости от их энергетического состояния и агрегатного - твёрдого или жидкого. Явление перераспределения происходит под влиянием света. Именно тогда увеличивается электропроводность вещества, т.е. получается эффект фотопроводимости.
3. Вентильный фотоэффект - переход фотоэлектронов из своих тел в другие твёрдые тела (полупроводники) или жидкие (электролиты).

Внешний фотоэффект лежит в основе работы современных вакуумных фотоэлементов. Они изготавливаются в виде стеклянных колб, у которых внутренняя поверхность частично покрывается тонким слоем металлического напыления. Незначительная толщина слоя обеспечивает малый рабочий выход. Прозрачное окошко колбы пропускает внутрь свет, а находящийся внутри неё анод в виде проволочной петли или диска улавливает фотоэлектроны. Если анод соединить с положительным полюсом батареи, цепь замкнётся, по ней пойдёт электрический ток. Т.е. вакуумные фотоэлементы могут включать или выключать реле.

Комбинируя фотоэлементы и реле, можно создать различные «видящие» автоматы, к примеру, автомат в метро.

Итак, будучи заложен в основу многих производственных процессов, внешний фотоэффект как великое физическое открытие стал залогом успешной работы промышленной автоматики.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887 г. Герцем и подробно исследован в 1888 г. Л. Г. Столетовым). Если же электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов» (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 г. американским физиком У. Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдается у металлов. Если, например, цинковую пластинку, соединенную с электроскопом и заряженную отрицательно, осветить ультрафиолетовыми лучами, то электроскоп быстро разрядится; в случае положительно заряженной пластинки разрядки не происходит. Отсюда следует, что свет вырывает из металла отрицательно заряженные частицы; определение величины их заряда (выполненное в 1898 г. Дж. Дж. Томсоном) показало, что эти частицы являются электронами.

Принципиальная измерительная схема, с помощью которой исследовался внешний фотоэффект, изображена на рис. 368.

Отрицательный полюс батареи присоединен к металлической пластинке К (катод), положительный - к вспомогательному электроду а (анод). Оба электрода помещены в эвакуированный сосуд, имеющий кварцевое окно F (прозрачное для оптического излучения). Поскольку электрическая цепь оказывается разомкнутой, ток в ней отсутствует. При освещении катода К свет вырывает из него электроны (фотоэлектроны), устремляющиеся к аноду; в цепи появляется ток (фототок).

Схема дает возможность измерять силу фототока (гальванометром и скорость фотоэлектронов при различных значениях напряжения между катодом и анодом и при различных условиях освещения катода.

Экспериментальные исследования, выполненные Столетовым, а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения I (т. е. максимальное число электронов. освобождаемых светом в 1 с) прямо пропорционален световому потоку Ф:

где коэффициент пропорциональности называется фоточувствительностью освещаемой поверхности (измеряется в микроамперах на люмен, сокращенно -

2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой «красной границей» фотоэффекта.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света. Действительно, по этой теории, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны, «раскачивающей» электрон в металле. Поэтому свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности, должен был бы вырывать электроны из металла; иначе говоря, не должно было бы существовать «красной границы» фотоэффекта. Этот вывод противоречит третьему закону фотоэффекта. Далее, чем больше интенсивность света, тем большую кинетическую энергию должен был бы получить от него электрон. Поэтому скорость фотоэлектрона должна была бы возрастать с увеличением интенсивности света; этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светового потока определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому

максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (первый закон фотоэффекта).

Энергия фотона поглощенная электроном, расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла (см. § 87); оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона масса электрона, его скорость). Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно написать

Эта формула, предложенная в 1905 г. Эйнштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Эйнштейна.

Из уравнения Эйнштейна непосредственно видно, что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности (поскольку ни ни не зависят от интенсивности света). Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.

Согласно формуле (26), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (величина А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой достаточно малой частоте (или длине волны кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это имеет место при т. е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда

Формулы (27) определяют «красную границу» фотоэффекта. Из этих формул следует, что она зависит от величины работы выхода (от материала фотокатода).

В таблице приведены значения работы выхода А (в электрон-вольтах) и красной границы фотоэффекта (в микрометрах) для некоторых металлов.

(см. скан)

Из таблицы видно, что, например, цезиевая пленка, нанесенная на вольфрам, дает фотоэффект даже при инфракрасном облучении, у натрия фотоэффект может быть вызван только видимым и ультрафиолетовым светом, а у цинка - только ультрафиолетовым.

На внешнем фотоэффекте основан важный физико-технический прибор, называемый вакуумным фотоэлементом (он является некоторым видоизменением установки, схематически изображенной на рис. 368).

Катодом К вакуумного фотоэлемента служит слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность эвакуированного стеклянного баллона В (рис. 369; G - гальванометр); анод А выполнен в виде металлического кольца, помещенного в центральной части баллона. При освещении катода в цепи фотоэлемента возникает электрический ток, сила которого пропорциональна величине светового потока.

Большинство современных фотоэлементов имеет сурьмяно-цезиевые или кислородно-цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью. Кисйородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к инфракрасному и видимому свету (чувствительность сурьмяно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к видимому и ультрафиолетовому свету (чувствительность

В некоторых случаях для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют аргоном при давлении порядка 1 Па. Фототок в таком фотоэлементе усиливается вследствие ионизации аргдна, вызванной столкновениями фотоэлектронов с атомами аргона. Фоточувствительность газонаполненных фотоэлементов составляет около

Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и в меньшей мере у диэлектриков. Схема наблюдения внутреннего фотоэффекта показана на рис. 370. Полупроводниковая пластинка присоединена последовательное гальванометром к полюсам батареи. Ток в этой цепи незначителен, поскольку полупроводник обладает большим сопротивлением. Однако при освещении пластинки ток в цепи резко возрастает. Это обусловлено тем, что свет вырывает из атомов полупроводника электроны, которые, оставаясь внутри полупроводника, увеличивают его электропроводность (уменьшают сопротивление).

Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, называются полупроводниковыми фотоэлементамиили фотосопротивлениями. Для их изготовления используют селен, сернистый свинец, сернистый кадмий и некоторые другие полупроводники. Фоточувствительность полупроводниковых фотоэлементов в сотни раз превышает фоточувствительность вакуумных фотоэлементов. Некоторые фотоэлементы обладают отчетливо выраженной спектральной чувствительностью. У селенового фотоэлемента спектральная чувствительность близка к спектральной чувствительности человеческого глаза (см рис. 304, § 118).

Недостатком полупроводниковых фотоэлементов является их заметная инерционность: изменение фототока запаздывает относительно изменения освещенности фотоэлемента. Поэтому полупроводниковые

фотоэлементы непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

На внутреннем фотоэффекте основана еще одна разновидность фотоэлемента - полупроводниковый фотоэлемент с запирающий слоем или вентильный фотоэлемент. Схема этого фотоэлемента дана на рис. 371.

Металлическая пластинка и нанесенный на нее тонкий слой полупроводника соединены внешней электрической цепью, содержащей гальванометр Как было показано (см. § 90), в зоне контакта полупроводника с металлом образуется запирающий слой Б, обладающий вентильной проводимостью: он пропускает электроны только в направлении от полупроводника к металлу. При освещении полупроводникового слоя в нем, благодаря внутреннему фотоэффекту, появляются свободные электроны. Проходя (в процессе хаотического движения) через запирающий слой в металл и не имея возможности перемещаться в обратном направлении, эти электроны образуют в металле избыточный отрицательный заряд. Полупроводник, лишенный части «своих» электронов, приобретает положительный заряд. Разность потенциалов (порядка 0,1 В), возникающая между полупроводником и металлом, создает ток в цепи фотоэлемента.

Таким образом, вентильный фотоэлемент представляет собой генератор тока, непосредственно преобразующий световую энергию в электрическую.

В качестве полупроводников в вентильном фотоэлементе используют селен, закись меди, сернистый таллий, германий, кремний. Фоточувствительность вентильных фотоэлементов составляет

Коэффициент полезного действия современных кремниевых фотоэлементов (освещаемых солнечным светом) достигает по теоретическим расчетам, его можно повысить до 22%.

Поскольку фототок пропорционален световому потоку, фотоэлементы используются в качестве фотометрических приборов. К таким приборам относятся, например, люксметр (измеритель освещенности) и фотоэлектрический экспонометр.

Фотоэлемент позволяет преобразовывать колебания светового потока в соответствующие колебания фототока, что находит широкое применение в технике звукового кино, телевидения и т. п.

Исключительно велико значение фотоэлементов для телемеханизации и автоматизации производственных процессов. В сочетании с электронным усилителем и реле фотоэлемент является неотъемлемой частью автоматических устройств, которые, реагируя на световые сигналы, управляют работой различных промышленных и сельскохозяйственных установок и транспортных механизмов.

Весьма перспективным является практическое использование вентильных фотоэлементов в качестве генераторов электроэнергии. Батареи кремниевых фотоэлементов, получившие название солнечных батарей, успешно применяются на советских космических спутниках и кораблях для питания радиоаппаратуры. Для этого общая площадь фотоэлементов должна быть достаточно большой. Например, на космическом корабле «Союз-3» площадь поверхности солнечных батарей составляла около

Когда коэффициент полезного действия солнечных батарей будет повышен до 20-22%, они, несомненно, приобретут первостепенное значение среди источников, вырабатывающих электроэнергию для производственных и бытовых нужд.

Фотоэффектом называется явление вырывания электронов под действием света из жидких и твердых веществ.

2. Опишите принципиальную схему опыта Столетова. Что такое фототок и фотоэлектроны?

В вакуумную трубку помещали два электрода - катод и анод, которые подключали к источнику напряжения. Тока в цепи не было без освещения катода. При освещении вырываемые светом из катода электроны притягиваются к аноду.

Фототоком называется возникающий в цепи под действием света ток, а фотоэлектронами - вырванные электроны.

3. Сформулируйте три закона фотоэффекта и объясните вольтамперную характеристику при фотоэффекте. Как она будет выглядеть при большей интенсивности света?

Законы фотоэффекта:

1) фототок насыщения пропорционален интенсивности света, который падает на катод.

2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света и прямо пропорциональна его частоте.

3) существует минимальная частота света для каждого вещества, ниже которой фотоэффект не возможен. Она называется красной границей фотоэффекта.

При малых напряжениях только часть фотоэлектронов достигает анода. Чем больше разность потенциалов, тем больше фототок. При некотором значении напряжения он становится максимальным, его называют фототоком напряжения. При большей интенсивности света фототок насыщения будет больше, и график пойдет выше.

4. Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Какую величину называют работой выхода?

Энергия фотона идет на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии и на совершение работы выхода. Работой выхода называют минимальную работу, которую необходимо совершить для удаления электрона из металла. Красная граница фотоэффекта.