Что такое фотоэффект в физике

Что такое фотоэффект в физике

Фотоэффект − освобождение электронов, находящихся в веществе под действием коротковолнового электромагнитного излучения.
Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым. Было обнаружено, что электромагнитное излучение, падающее на металлы, выбивает из них электроны. Само по себе это явление, названное фотоэффектом, не было неожиданным. Странные свойства фотоэффекта проявились при более внимательном изучении этого явления. На первый взгляд казалось, что увеличение интенсивности излучения должно приводить к увеличению энергии вылетающих электронов, так как падающее излучение несет больше энергии. Однако оказалось, что энергия электронов увеличивается только при увеличении частоты падающего излучения, а увеличение интенсивности излучения ведет только к увеличению числа выбитых из металла электронов. При уменьшении частоты падающего света наступает такой порог, когда электроны перестают вылетать из металла независимо от интенсивности источника света. Объяснение этого явления дал А. Эйнштейн. Согласно А. Эйнштейну электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию E и импульс .

где λ и ν − длина волны и частота фотона, − единичный вектор в направлении распространения фотона. Закон сохранения энергии приводит к очевидному соотношению

где T − кинетическая энергия электрона, вылетевшего из металла в результате фотоэффекта, W − работа выхода электрона из металла. На основе этого соотношения легко описать все наблюдаемые особенности фотоэффекта.
Фотоэффект возможен только на связанном электроне, что определяется необходимостью выполнения законов сохранения энергии и импульса в этом процессе. Чем меньше связь электрона в атоме по сравнению с энергией фотона, тем меньше сечение фотоэффекта. Поэтому сечение фотоэффекта должно зависеть от энергии фотона и заряда ядра, который в свою очередь определяет связь электронов на K-, L-, M-, …-оболочках.
Сечение фотоэффекта для K-оболочки

σ(см 2 ) = 1.09·10 -16 Z 5 [13.6/hν(эВ)] 7/2 при малых hν,
σ(см 2 ) = 1.34·10 -33 Z 5 [1/hν(МэВ)] при hν >> m_ec 2 .

Для оценки сечения фотоэффекта на разных оболочках можно воспользоваться соотношениями

Что такое фотоэффект в физике

При взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением возникает фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешний фотоэффект	Внутренний фотоэффект
явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света	явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым.

В 1887 г. Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Чтобы обнаружить фотоэффект, можно использовать электрометр с подсоединенной к нему отрицательно заряженной пластиной. При освещении пластины она разряжается гораздо быстрее, чем без освещения. Если на пути пучка света поставить стекло, то эффект пропадает. Значит, вырывают электроны лучи, которые задерживаются стеклом – ультрафиолетовые.

Объяснение фотоэффекта:
под действием света с пластины из цинка вырываются электроны, которые отталкиваются от отрицательно заряженной пластины, и электроскоп разряжается быстрее.

Русский физик А.Г. Столетов изучил закономерности явления, которые впоследствии были названы законами Столетова для фотоэффекта. Два электрода (один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены к батарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силы тока.

Для данного эксперимента ученый взял колбу из стекла, из которой полностью откачал воздух. Таким образом, он исключил все свободные атомы, способные помешать электронам двигаться. В колбу вывели электроды, подключенные к источнику напряжения.

В результате действия света на катод, с него начали выбиваться электроны. Под действием разности потенциалов электроны начали свое движение в направлении анода. Так как напряжение способствовало направленному движению электронов, то в цепи появился ток. Данный ток получил название фототока, а частицы, вылетевшие с поверхности катода — фотоэлектронами.

Законы внешнего фотоэффекта

При увеличении напряжения сила тока растет и достигает максимального значения (ток насыщения). Логично предположить, что в результате уменьшения напряжения на электродах, частицы начнут двигаться медленнее, что приведет к уменьшению фототока в колбе.

Если продолжать уменьшать напряжение в цепи, и в конечном итоге поменять полярность, то электроны начнут двигаться в противоположном направлении. Это напряжение называется запирающим. Его величина определяется работой электрического поля по торможению электрона:

При изменении интенсивности светового потока изменяется количество выбитых электронов и, соответственно, сила тока насыщения, но не меняется их кинетическая энергия.

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

Движение электронов начинается только при достижении света определенной начальной частоты. Эта частота называется красной границей. Если частота излучения меньше красной границы, то фотоэффект не происходит, а значит, фототок равен нулю.

2. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , т. е. наименьшая частота ν_min, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > ν_min.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

В 1905 г. теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = h ν, где h – постоянная Планка. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру . Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов , впоследствии названных фотонами . При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию h ν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл -вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A , зависящую от свойств материала катода.

Энергия кванта света расходуется на работу выхода и на сообщение электрону кинетической энергии

Это уравнение объясняет:

• Интенсивность света пропорциональна числу квантов энергии в световом пучке, определяет число вырванных электронов;
• Скорость электронов определяется только частотой света и работой выхода, т.е. зависит от типа металла и состояния поверхности, а от интенсивности света не зависит.

Таблица работа выхода

Применение фотоэффекта

Вакуумный фотоэлемент применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах, в управлении производственными процессами

Полупроводниковые фотоэлементы используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы , протекающие под действием света в фотографических материалах и в живых организмах.

Информация о материале Просмотров: 22853

• Вы здесь:
• Главная
• 11 класс
• Физика
• Теория фотоэффекта

Фотоэффект

Фундаментальные понятия Квантовое состояние · Квантовая наблюдаемая · Волновая функция · Квантовая суперпозиция · Квантовая запутанность · Смешанное состояние · Измерение · Неопределённость · Принцип Паули · Дуализм · Декогеренция · Теорема Эренфеста · Туннельный эффект

Эксперименты
Опыт Дэвиссона — Джермера · Опыт Поппера · Опыт Штерна — Герлаха · Опыт Юнга · Проверка неравенств Белла · Фотоэффект · Эффект Комптона

Формулировки
Представление Шрёдингера · Представление Гейзенберга · Представление взаимодействия · Матричная квантовая механика · Интегралы по траекториям · Диаграммы Фейнмана

Развитие теории
Квантовая теория поля · Квантовая электродинамика · Теория Глэшоу — Вайнберга — Салама · Квантовая хромодинамика · Стандартная модель · Квантовая гравитация

Сложные темы
Квантовая теория поля · Квантовая гравитация · Теория всего

Известные учёные
Планк · Эйнштейн · Шрёдингер · Гейзенберг · Йордан · Бор · Паули · Дирак · Фок · Борн · де Бройль · Ландау · Фейнман · Бом · Эверетт

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ₀ ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода A_out , покидает металл: — кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.

История открытия

В 1839 году Александр Беккерель наблюдал [1] явление фотоэффекта в электролите.

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.

Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

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

Схема эксперимента по исследованию фотоэффекта. Из света берется 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:

— частота падающего фотона с энергией , h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, 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.

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

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 освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):
   и