Главная » Что это такое?

Потрясающие фотоэффекты

Обновлено

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.

Генрих Герц

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.

Опыт Столетова

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

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

  1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения): In Ee{\displaystyle I_{n}~E_{e}} и ncek Ee{\displaystyle n_{\rm {cek}}~E_{e}}
  2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
  3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν{\displaystyle \nu _{0}} (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Теория Фаулера

Основные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера. Согласно ей, после поглощения в металле фотона его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми — Дирака и возбуждённым (сдвинутым на hν{\displaystyle h\nu }) распределением по энергиям.
Плотность фототока определяется формулой Фаулера:

j={B1T2exp⁡(hν−hνminkT),hν⩽hνmin−2kT,B2T2((hν−hνmin)2k2T2+B3),hν>hνmin+2kT,{\displaystyle j={\begin{cases}{{B}_{1}}{{T}^{2}}\exp \left({\frac {h\nu -h{{\nu }_{\min }}}{kT}}\right),&h\nu \leqslant {{h\nu }_{\min }}-2kT,\\{{B}_{2}}{{T}^{2}}\left({\frac {{(h\nu -h{{\nu }_{\min }})}^{2}}{{{k}^{2}}{{T}^{2}}}}+{{B}_{3}}\right),&h\nu >{{h\nu }_{\min }+2kT},\\\end{cases}}}

где B1{\displaystyle B_{1}}, B2{\displaystyle B_{2}}, B3{\displaystyle B_{3}} — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла. Формула справедлива при энергиях возбуждения фотоэмиссии, не превышающих значения работы выхода металла более чем на несколько электронвольт. Теория Фаулера верна только в случае падения света по нормали к поверхности.

Квантовый выход

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y — число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов.. Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней УФ-областях Y

Это связано, прежде всего, с малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти в вакуум. При энергии фотонов вблизи порога фотоэффекта большинство фотоэлектронов возбуждается ниже уровня вакуума и не даёт вклада в фотоэмиссионный ток. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ-областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Эти ограничения частично снимаются в дальней УФ-области спектра, где Y достигает величины 0,01 электрон/фотон при энергии фотонов E > 10 эВ.

Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней УФ-областях Y < 0,001 электрон/фотон. Это связано, прежде всего, с малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти в вакуум. При энергии фотонов вблизи порога фотоэффекта большинство фотоэлектронов возбуждается ниже уровня вакуума и не даёт вклада в фотоэмиссионный ток. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ-областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Эти ограничения частично снимаются в дальней УФ-области спектра, где Y достигает величины 0,01 электрон/фотон при энергии фотонов E > 10 эВ.

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.

  • < Назад
  • Вперёд >

Ядерный фотоэффект

Основная статья: Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям (γ,n){\displaystyle (\gamma ,n)} и (γ,p){\displaystyle (\gamma ,p)}, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Примечания

  1. Яворский Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — М., Оникс, 2007. — Тираж 5100 экз. — ISBN 978-5-488-01248-6. — с. 725
  2. БСЭ, ФОТОЭФФЕКТ
  3. Stoletow, A. Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets (фр.) // Comptes Rendus (англ.)русск. : magazine. — 1888. — Vol. CVI. — P. 1149. (Reprinted in ; abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  4. Stoletow, A. Sur les courants actino-electriques au travers deTair (фр.) // Comptes Rendus (англ.)русск. : magazine. — 1888. — Vol. CVI. — P. 1593. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  5. Stoletow, A. Suite des recherches actino-électriques (неопр.) // Comptes Rendus (англ.)русск.. — 1888. — Т. CVII. — С. 91. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  6. Stoletow, A. Sur les phénomènes actino-électriques (неопр.) // Comptes Rendus (англ.)русск.. — 1889. — Т. CVIII. — С. 1241.
  7. Столетов, А. Актино-электрические исследовaния (рус.) // Журнал Русского физико-химического общества. — 1889. — Т. 21. — С. 159.
  8. БСЭ, СТОЛЕТОВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ
  9. Дуков В. М. Исторические обзоры в курсе физики средней школы. М.: Просвещение 1983. 160 с.
  10. A. E. Becquerel (1839). «Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires». Comptes Rendus 9: 561—567
  11. Smith, W. (1873). «Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current». Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur…7R.303.. doi:10.1038/007303e0
  12. БСЭ, ФОТОПРОВОДИМОСТЬ
  13. ↑ Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики. Том 2. — М., Наука, 1974. — Тираж 169 000 экз. — с. 197
  14.  (недоступная ссылка)
  15. .
  16. Ворончев Т. А., Соболев В. Д. Физические основы электровакуумной техники. — М.: Высшая школа, 1967. — с. 217—220
  17. .
  18. .
  19. Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики. Том 2. — М.: Наука, 1974. — Тираж 169 000 экз. — с. 336
  20. Киреев П. С. Физика полупроводников. — М.: Высшая школа, 1975. — Тираж 30000 экз. — с. 537—546
  21. Фотовольтаический эффект — статья из Большой советской энциклопедии. 
  22. Акимов И. А., Черкасов Ю. А., Черкашин М. И. Сенсибилизированный фотоэффект. — М.: Наука, 1980. — С. 384.
  23. ↑ Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: ИЛ, 1962. — С. 141.
  24. Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — С. 352.
  25. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969. — С. 431.

Внешний фотоэффект[править | править код]

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию света.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны света называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффектаправить | править код

  1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1с, прямо пропорционально интенсивности света): и
  2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

История открытия

В 1839 году Александр Беккерель наблюдалфотовольтаический эффект в электролите.

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.

В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов, опубликовавший 6 работ. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.

Ещё Столетов пришёл к выводу, что «Разряжающим действием обладают, если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими лучами, лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре», то есть вплотную подошёл к выводу о существовании красной границы фотоэффекта. В 1891 г. Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным.

Томсон в 1898 году экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости следует понимать как увеличение числа выбитых электронов с ростом освещённости.

Исследования фотоэффекта Филиппом Ленардом в 1900—1902 годах показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

Схема эксперимента по исследованию фотоэффекта. Из света берётся узкий диапазон частот и направляется на катод внутри вакуумного прибора. Напряжением между катодом и анодом устанавливается энергетический порог между ними. По току судят о достижении электронами анода.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

hν=A+mv22{\displaystyle h\nu =A+{\frac {mv^{2}}{2}}}

где A — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), mv22{\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}} — максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона, ν{\displaystyle \nu } — частота падающего фотона с энергией hν{\displaystyle h\nu }, h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта при T = 0 K, то есть существование наименьшей частоты (hνmin=A{\displaystyle {h\nu }_{\min }=A}), ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

В 1906—1915 годах фотоэффект изучал Милликен. Он смог установить точную зависимость запирающего напряжения от частоты (действительно оказавшуюся линейной) и на его основании смог вычислить постоянную Планка. «Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г., — писал Милликен, — и вопреки всем моим ожиданиям я вынужден был в 1915 г. безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность, так как казалось, что оно противоречит всему, что мы знаем об интерференции света». В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Внешний фотоэффект

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:

Е = h·ν,где ν — частота падающего фотона; h — постоянная Планка.

Получив энергию Е, электрон совершает работу выхода φ. Остальная часть энергии — это кинетическая энергия фотоэлектрона.

Из закона сохранения энергии вытекает равенство:

h·ν=φ + We, где We — максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.

h·ν=φ + mv2/2

Третий закон фотоэффекта 

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света νmin (или максимальная длина волны λmax), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ νmin, то фотоэффект уже не происходит.

Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света νmin. При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта, начинается испускание электронов. 

h· νmin = φ.

Если частота фотона ниже νmin, его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.

Современные исследования

Как показали эксперименты в национальном метрологическом институте Германии Physikalisch-Technische Bundesanstalt, результаты которых опубликованы 24 апреля 2009 года в Physical Review Letters, в мягком рентгеновском диапазоне длин волн при плотности мощности на уровне нескольких петаватт (1015 Вт) на квадратный сантиметр общепринятая теоретическая модель фотоэффекта может оказаться неверной.

Сравнительные количественные исследования различных материалов показали, что глубина взаимодействия между излучением и веществом существенно зависит от структуры атомов этого вещества и корреляции между внутренними электронными оболочками. В случае c ксеноном, который использовался в экспериментах, воздействие пакета фотонов в коротком импульсе приводит, по всей видимости, к одновременной эмиссии множества электронов с внутренних оболочек.

© 2024 Энциклопедия Рунета