§ 3 ... Fotoeffekt

Den eksterne fotoelektriske effekt er fænomenet med udstødning af elektroner fra faste stoffer og væsker under påvirkning af lys.

Opdagede fænomenet fotoelektrisk effekt Heinrich Hertz(1857 - 1894) i 1887 år. Han bemærkede, at glidningen af ​​en gnist mellem arresterens kugler er meget lettere, hvis en af ​​kuglerne er belyst med ultraviolette stråler.

Så ind 1888-1890 -s fotoeffekt udforsket Alexander G. Stoletov (1839 – 1896).

Han fandt ud af, at:

den største effekt udøves af ultraviolette stråler;

med en stigning i lysstrømmen øges lysstrømmen;

ladningen af ​​partikler, der udsendes fra faste stoffer og væsker under påvirkning af lys, er negativ.

Parallelt med Stoletov blev den fotoelektriske effekt undersøgt af en tysk videnskabsmand Philip Lenard (1862 – 1947).

De etablerede også de grundlæggende love for den fotoelektriske effekt.

Før du formulerer disse love, skal du overveje med En moderne ordning til at observere og studere den fotoelektriske effekt. Det er simpelt. To elektroder (katode og anode) loddes i glasballonen, hvortil spændingen U påføres. I mangel af lys viser amperemeteret, at der ikke er nogen strøm i kredsløbet.

Når katoden er belyst med lys, selv i mangel af spænding mellem katoden og anoden, viser amperemeteret tilstedeværelsen af ​​en lille strøm i kredsløbet - en fotostrøm. Det vil sige, at de elektroner, der udsendes fra katoden, har en vis kinetisk energi
og nå anoden "alene".

Med stigende spænding øges fotostrømmen.

Afhængigheden af ​​størrelsen af ​​fotostrømmen af ​​størrelsen af ​​spændingen mellem katoden og anoden kaldes volt-ampere-karakteristikken.

OM on har følgende form. Ved den samme intensitet af monokromatisk lys med stigende spænding stiger strømmen først, men derefter stopper dens vækst. Fra en bestemt værdi af den accelererende spænding holder fotostrømmen op med at ændre sig og når sin maksimale (ved en given lysintensitet) værdi. Denne fotostrøm kaldes mætningsstrømmen.

For at "låse" fotocellen, dvs. reducere fotostrømmen til nul, er det nødvendigt at anvende en "låsespænding"
... I dette tilfælde fungerer det elektrostatiske felt og bremser de udsendte fotoelektroner

. (1)

Dette betyder, at ingen af ​​de elektroner, der undslipper fra metallet, når anoden, hvis anodepotentialet er lavere end katodepotentialet
.

E Eksperimentet viste, at med en ændring i frekvensen af ​​det indfaldende lys skiftes startpunktet for grafen langs stressaksen. Det følger heraf, at størrelsen af ​​den blokerende spænding og følgelig den kinetiske energi og den maksimale hastighed af de udgående elektroner afhænger af frekvensen af ​​det indfaldende lys.

Den første lov om fotoelektrisk effekt ... Maksimal hastighedsværdiudgående elektronerafhænger af frekvensen af ​​den indfaldende stråling (øges med stigende frekvens) og afhænger ikke af dens intensitet.

E Hvis vi sammenligner volt-ampere-egenskaberne opnået ved forskellige værdier af intensiteten (i figur I 1 og I 2) for det indfaldende monokromatiske (enkeltfrekvente) lys, vil du bemærke følgende.

For det første stammer alle volt-ampere-egenskaber fra det samme punkt, det vil sige ved enhver lysintensitet, at lysstrømmen bliver nul ved en specifik (for hver frekvensværdi) forsinkelsesspænding
... Dette er endnu en bekræftelse på rigtigheden af ​​den første lov om den fotoelektriske effekt.

For det andet. Med en stigning i intensiteten af ​​det indfaldende lys ændres karakteren af ​​strømens afhængighed af spændingen ikke, kun værdien af ​​mætningsstrømmen stiger.

Den anden lov om fotoelektrisk effekt ... Mætningsstrømmen er proportional med lysstrømmen.

Når man studerede den fotoelektriske effekt, blev det konstateret, at ikke al stråling forårsager fotoeffekten.

Den tredje lov om den fotoelektriske effekt ... For hvert stof er der en minimumsfrekvens (maksimal bølgelængde), hvor den fotoelektriske effekt stadig er mulig.

Denne bølgelængde kaldes "den røde ramme med fotoeffekt" (og frekvensen svarende til den røde ramme med fotoeffekten).

5 år efter udseendet af Max Plancks arbejde brugte Albert Einstein ideen om diskret lysemission til at forklare lovgivningen om den fotoelektriske effekt. Einstein foreslog, at lys ikke kun udsendes i batches, men også formeres og absorberes i batches. Dette betyder, at diskretiteten af ​​elektromagnetiske bølger er en egenskab af selve strålingen og ikke resultatet af interaktionen mellem stråling og stof. Ifølge Einstein er en kvantitet af stråling meget som en partikel. Kvanten er enten helt absorberet eller slet ikke absorberet. Einstein præsenterede udsendelsen af ​​en fotoelektron som et resultat af en kollision mellem en foton og en elektron af et metal, hvor al fotonets energi overføres til elektronen. Så Einstein skabte kvanteteorien om lys og skrev på baggrund heraf ligningen for den fotoelektriske effekt:

.

Her er Plancks konstant, - frekvens
Er arbejdsfunktionen for en elektron fra et metal,
Er elektronens hvilemasse, v er elektronens hastighed.

Denne ligning forklarede alle de eksperimentelt etablerede love for den fotoelektriske effekt.

Da en elektrons arbejdsfunktion fra et stof er konstant, øges også elektronernes hastighed med stigende frekvens.

Hver foton slår en elektron ud. Derfor kan antallet af udslåede elektroner ikke overstige antallet af fotoner. Når alle de udkastede elektroner når anoden, holder lysstrømmen op med at vokse. Med en stigning i lysintensiteten øges også antallet af fotoner, der falder ind på stoffets overflade. Derfor øges antallet af elektroner, som disse fotoner slår ud. I dette tilfælde øges mætningsfotostrømmen.

Hvis fotonenes energi kun er tilstrækkelig til at udføre arbejdsfunktionen, vil hastigheden af ​​de udsendte elektroner være lig med nul. Dette er den "røde kant" af den fotoelektriske effekt.

Den interne fotoelektriske effekt observeres i krystallinske halvledere og dielektrikum. Det består i det faktum, at under påvirkning af bestråling øges disse stoffers elektriske ledningsevne på grund af en stigning i antallet af frie strømbærere (elektroner og huller) i dem.

Dette fænomen kaldes undertiden fotokonduktivitet.

Intern fotoelektrisk effekt blev opdaget i 1873 af den amerikanske W. Smith og engelskmanden J. May. Det vil sige tidligere end den eksterne fotoeffekt.

For at observere den interne fotoelektriske effekt under skoleforhold kan du bruge en fotodiode (ikke at forveksle med en LED) eller en gammel transistor, der har en pænt nedskåret metalhætte til at åbne lysadgang til halvlederkrystallen. Hvis du forbinder det til en ensretter og et galvanometer, kan du se, hvordan krystalens ledningsevne stiger kraftigt, selv i dagslys. Denne ledningsevne kaldes fotokonduktivitet.

Lovene om den interne fotoelektriske effekt er meget mere komplicerede end lovene for den eksterne, og vi vil ikke overveje dem her. Vi bemærker dog, at de er baseret på begreberne valens, elektroniske niveauer osv., Som du kender fra kemi, og giver dig mulighed for at forklare udseendet af den fotoelektriske effekt i halvledere.

Den eksterne fotoelektriske effekt blev brugt i teknologien i første halvdel af det 20. århundrede. Dette er selvfølgelig stemmen til den tidligere lydløse biograf. Fotocellen giver dig mulighed for at gøre lyden "fotograferet" på filmen til hørbar lyd. Lyset fra en almindelig lampe passerede gennem filmens soundtrack, skiftede og ramte fotocellen (se foto). Jo mere lys der passerer gennem sporet, jo højere er lyden i højttaleren. I livløs natur manifesterer den eksterne fotoeffekt sig i millioner af år i planetarisk målestok. Kraftig solstråling, der virker på atomerne og molekylerne i jordens atmosfære, slår elektroner ud af dem, det vil sige, det ioniserer de øvre lag af atmosfæren.

Den interne fotoelektriske effekt bruges i øjeblikket i teknologi meget oftere end den eksterne. For eksempel omdanner det lys til elektrisk strøm i solceller og enorme solpaneler i rumskibe. Den fotoelektriske effekt "virker" også i specielle lysfølsomme enheder, såsom fotoresistorer, fotodioder, fototransistorer. Takket være dette kan du læse delene på transportøren eller automatisk tænde og slukke for forskellige mekanismer (fyrtårne, gadebelysning, automatisk døråbning osv.). Takket være den interne fotoeffekt er det også muligt at konvertere billedet til elektriske signaler og sende det over en afstand (tv).

Den mest omfattende anvendelse af den fotoelektriske effekt i dag er allerede bygget solkraftværker samt projekter til opførelse af nye sådanne anlæg med en kapacitet på op til flere hundrede megawatt. Ifølge eksperter genereres op til 20% af verdens elektricitet i 2020 ved solcellerkonvertering af solenergi på Jorden og i rummet.

(C) 2012. Lyukina Tatyana Vitalievna (Kemerovo-regionen, Leninsk-Kuznetsky)

1. Historien om opdagelsen af ​​den fotoelektriske effekt

2. Stoletovs love

3. Einsteins ligning

4. Intern fotoelektrisk effekt

5. Anvendelse af fotoeffektfænomenet

Introduktion

Talrige optiske fænomener blev konsekvent forklaret på baggrund af ideer om lysets bølgeform. Dog i slutningen af ​​XIX - begyndelsen af ​​det XX århundrede. blev opdaget og undersøgt fænomener som den fotoelektriske effekt, røntgenstråling, Compton-effekten, stråling af atomer og molekyler, termisk stråling og andre, hvis forklaring set fra bølgesynspunktet viste sig at være umulig. Forklaringen på de nye eksperimentelle fakta blev opnået på baggrund af korpuskulære begreber om lysets natur. En paradoksal situation er opstået forbundet med brugen af ​​helt modsatte fysiske modeller af bølger og partikler til forklaring af optiske fænomener. I nogle fænomener viste lys bølgeegenskaber, i andre - korpuskulær.

Blandt de forskellige fænomener, hvor effekten af ​​lys på et stof manifesteres, indtages et vigtigt sted af fotoelektrisk effekt, det vil sige emission af elektroner af et stof under påvirkning af lys. Analysen af ​​dette fænomen førte til begrebet lyskvanta og spillede en yderst vigtig rolle i udviklingen af ​​moderne teoretiske begreber. Samtidig anvendes den fotoelektriske effekt i solceller, som har modtaget ekstremt udbredt anvendelse inden for forskellige videnskabelige og teknologiske områder og lover endnu rigere udsigter.

Historien om opdagelsen af ​​fotoeffekten

Opdagelsen af ​​den fotoelektriske effekt går tilbage til 1887, da Hertz opdagede, at belysningen af ​​et energifyldt gnistgab med ultraviolet lys gjorde det lettere for gnisten at glide imellem dem.

Fænomenet opdaget af Hertz kan observeres i det følgende ekspert, der er let at implementere (fig. 1).

Størrelsen af ​​gnistgabet F vælges på en sådan måde, at gnisten springer med vanskeligheder (en eller to gange i minuttet) i et kredsløb, der består af en transformer T og en kondensator C. Hvis elektroderne F, der er fremstillet af rent zink, belyses med lyset fra en Hg-kviksølvlampe, lettes kondensatorens afladning i høj grad: gnisten begynder at glide gennem fig. 1. Skema for Hertz-eksperimentet.

Den fotoelektriske effekt blev forklaret i 1905 af Albert Einstein (som han modtog Nobelprisen for i 1921) baseret på Max Planck-hypotesen om lysets kvante natur. Einsteins arbejde indeholdt en vigtig ny hypotese - hvis Planck antog, at lys kun udsendes i kvantiserede dele, så troede Einstein allerede, at lys kun eksisterer i form af kvantedele. Fra ideen om lys som partikler (fotoner) følger Einsteins formel for den fotoelektriske effekt straks:

hvor er den kinetiske energi af den udsendte elektron, er arbejdsfunktionen for et givet stof, er frekvensen af ​​det indfaldende lys, er Plancks konstant, som viste sig at være nøjagtig den samme som i Planck-formlen til stråling af en absolut sort krop.

Eksistensen af ​​den røde kant af den fotoelektriske effekt følger af denne formel. Således var undersøgelser af den fotoelektriske effekt blandt de tidligste kvantemekaniske undersøgelser.

Stoletovs love

For første gang (1888-1890) analyserede den russiske fysiker A.G. for detaljeret fænomenet med den fotoelektriske effekt. Stoletov opnåede grundlæggende vigtige resultater. I modsætning til tidligere forskere tog han en lille potentiel forskel mellem elektroderne. Ordningen med Stoletovs eksperiment er vist i fig. 2.

To elektroder (den ene i form af et gitter, den anden er flad), der er placeret i vakuum, er fastgjort til batteriet. Et amperemeter inkluderet i kredsløbet bruges til at måle den resulterende strøm. Ved at bestråle katoden med lys med forskellige bølgelængder kom Stoletov til den konklusion, at ultraviolette stråler har den mest effektive virkning. Derudover blev det konstateret, at styrken af ​​den strøm, der genereres af lys, er direkte proportional med dens intensitet.

I 1898 bestemte Lenard og Thomson ved hjælp af metoden til afbøjning af ladninger i elektriske og magnetiske felter den specifikke ladning af ladede partikler, der blev skubbet ud fra fig. 2. Skema for Stoletovs eksperiment.

lys fra katoden og modtog udtrykket

SGSE-enheder s / g, som falder sammen med den kendte specifikke ladning af elektronen. Heraf fulgte det, at elektroner trækkes ud fra substansen i katoden under lysets indvirkning.

Ved at opsummere de opnåede resultater blev følgende fastslået. mønstre fotoeffekt:

1. Med en konstant spektral sammensætning af lys er mætningens lysstrøm direkte proportional med lysstrømmen, der falder ind på katoden.

2. Den oprindelige kinetiske energi af elektroner, der rives ud af lyset, vokser lineært med en stigning i lysets frekvens og afhænger ikke af dets intensitet.

3. Den fotoelektriske effekt opstår ikke, hvis lysfrekvensen er mindre end en bestemt værdi, der er karakteristisk for hvert metal, kaldet den røde kant.

Den første regelmæssighed af den fotoelektriske effekt såvel som udseendet af selve fotoeffekten kan let forklares ud fra lovene i klassisk fysik. Faktisk exciterer lysfeltet, der virker på elektronerne inde i metallet, deres svingninger. Amplituden af ​​de tvungne vibrationer kan nå en sådan værdi, hvor elektronerne forlader metallet; så observeres fotoeffekten.

På grund af det faktum, at lysintensiteten ifølge den klassiske teori er direkte proportional med kvadratet i den elektriske vektor, øges antallet af udkastede elektroner med stigende lysintensitet.

Den anden og tredje regelmæssighed af den fotoelektriske effekt forklares ikke af lovene i klassisk fysik.

At studere afhængigheden af ​​fotostrømmen (fig. 3), der opstår, når metallet bestråles med en strøm af monokromatisk lys, på potentialforskellen mellem elektroderne (denne afhængighed kaldes normalt voltstrømskarakteristikken for fotostrømmen), det blev fundet, at: 1) fotostrømmen ikke kun forekommer ved, men også ved; 2) lysstrømmen er forskellig fra nul til en negativ værdi af den potentielle forskel, der er strengt defineret for et givet metal, det såkaldte forsinkelsespotentiale; 3) værdien af ​​det blokerende (forsinkende) potentiale afhænger ikke af intensiteten af ​​det indfaldende lys; 4) lysstrømmen øges med et fald i den retarderende potentiales absolutte værdi; 5) værdien af ​​fotostrømmen vokser med stigende og fra en bestemt værdi lysstrømmen (den såkaldte mætningsstrøm) bliver konstant; 6) mætningsstrømmen øges med en stigning i intensiteten af ​​det indfaldende lys; 7) værdien af ​​den forsinkede fig. 3. Funktion

potentiale afhænger af hyppigheden af ​​det indfaldende lys fotostrøm.

8) hastigheden af ​​elektroner, der rives ud under påvirkning af lys, afhænger ikke af lysets intensitet, men afhænger kun af dens frekvens.

Einsteins ligning

Fænomenet med den fotoelektriske effekt og alle dens regelmæssigheder forklares godt ved hjælp af kvanteteorien om lys, som bekræfter kvantets natur.

Som allerede nævnt fremførte Einstein (1905), der udviklede Plancks kvanteteori, ideen om, at ikke kun emission og absorption, men også formering af lys forekommer i dele (quanta), hvis energi og momentum:

hvor er enhedsvektoren rettet langs bølgevektoren. Ved anvendelse af loven om energibesparelse på fænomenet fotoelektrisk effekt i metaller foreslog Einstein følgende formel:

, (1)

hvor er elektronens arbejdsfunktion fra metallet, er fotoelektronens hastighed. Ifølge Einstein absorberes hvert kvante kun af en elektron, og en del af energien fra den indfaldende foton bruges på at udføre metalelektronens arbejdsfunktion, mens resten tilfører elektronen kinetisk energi.

Som det fremgår af (1) kan den fotoelektriske effekt i metaller kun opstå ved, ellers vil fotonenergien være utilstrækkelig til at trække en elektron ud af metallet. Den laveste frekvens af lys, under hvilken virkning fotoeffekten opstår, bestemmes naturligvis ud fra tilstanden

Lysfrekvensen bestemt af tilstand (2) kaldes den "røde kant" af den fotoelektriske effekt. Ordet "rød" har intet at gøre med lysets farve, hvor fotoeffekten opstår. Afhængig af typen af ​​metaller kan den “røde kant” af den fotoelektriske effekt svare til rødt, gult, violet, ultraviolet lys osv.

Einsteins formel kan bruges til at forklare andre love om den fotoelektriske effekt.

Lad os antage, at der, dvs. mellem anoden og katoden, er et decelererende potentiale. Hvis elektronernes kinetiske energi er tilstrækkelig, skaber de en fotostrøm ved at overvinde det decelererende felt. Fotostrømmen involverer de elektroner, for hvilke tilstanden ... Værdien af ​​det retarderende potentiale bestemmes ud fra tilstanden

, (3)

hvor er den maksimale hastighed for de udkastede elektroner. Fig. fire.

Ved at erstatte (3) i (1) får vi

Værdien af ​​det retarderende potentiale afhænger således ikke af intensiteten, men afhænger kun af frekvensen af ​​det indfaldende lys.

Arbejdsfunktionen for elektroner fra metallet og Plancks konstant kan bestemmes ved at tegne afhængigheden af ​​frekvensen af ​​det indfaldende lys (fig. 4). Som du kan se, giver segmentet afskåret fra potentialets akse.

Da lysintensiteten er direkte proportional med antallet af fotoner, fører en stigning i intensiteten af ​​det indfaldende lys til en stigning i antallet af udkastede elektroner, dvs. til en stigning i fotostrømmen.

Einsteins formel for den fotoelektriske effekt i ikke-metaller har formen

.

Tilstedeværelsen - løsningen af ​​en bundet elektron fra et atom inde i ikke-metaller - forklares ved det faktum, at i modsætning til metaller, hvor der er frie elektroner, i ikke-metaller er elektronerne i en tilstand bundet til atomer. Når lys falder på ikke-metaller, bruges en del af lysenergien åbenbart på den fotoelektriske effekt i atomet - på adskillelsen af ​​elektronen fra atomet, og resten bruges på elektronens arbejdsfunktion og overførslen af kinetisk energi til elektronen.

Ledningselektroner efterlader ikke metallet spontant i en mærkbar mængde. Dette skyldes, at metallet er en potentiel grop for dem. Kun de elektroner, hvis energi er tilstrækkelig til at overvinde den potentielle barriere på overfladen, kan forlade metallet. De kræfter, der forårsager denne barriere, har følgende oprindelse. Utilsigtet fjernelse af en elektron fra det ydre lag af positive ioner i gitteret fører til fremkomsten af ​​en overskydende positiv ladning på det sted, hvor elektronen forlod. Coulomb-interaktionen med denne ladning får elektronen, hvis hastighed ikke er særlig høj, tilbage igen. Således forlader individuelle elektroner metaloverfladen hele tiden, bevæger sig væk fra den ad flere interatomære afstande og vender derefter tilbage. Som et resultat er metallet omgivet af en tynd sky af elektroner. Denne sky danner sammen med det ydre lag af ioner et dobbelt elektrisk lag (fig. 5; cirkler - ioner, sorte prikker - elektroner). De kræfter, der virker på en elektron i et sådant lag, er rettet mod det indre af metallet. Arbejdet udført mod disse kræfter under overførslen af ​​en elektron fra metallet til det ydre bruges til at øge elektronens potentielle energi (fig. 5).

Således er den potentielle energi af valenselektroner inde i metallet mindre end uden for metallet med en mængde svarende til dybden af ​​den potentielle brønd (fig. 6). Energiændringen sker over en længde af størrelsesordenen adskillige interatomære afstande; Derfor kan brøndvæggene betragtes som lodrette.

Potentiel energi af en elektron Fig. 6.

og potentialet for det punkt, hvor elektronen er placeret, har modsatte tegn. Derfor følger det, at potentialet inde i metallet er større end potentialet i umiddelbar nærhed af dets overflade.

Overdreven positiv ladning til metallet øger potentialet både på overfladen og inde i metallet. Elektronens potentielle energi falder tilsvarende (fig. 7, a).

Værdierne af den potentielle og potentielle energi ved uendelig tages som referencepunkt. Kommunikationen af ​​en negativ ladning sænker potentialet i og uden for metallet. Følgelig øges elektronens potentielle energi (fig. 7, b).

Den samlede energi af en elektron i et metal består af potentielle og kinetiske energier. Ved absolut nul er værdierne for ledningselektronernes kinetiske energi i området fra nul til den energi, der falder sammen med Fermi-niveauet. I fig. 8 er ledningsbåndets energiniveauer indskrevet i den potentielle brønd (den stiplede linje viser de niveauer, der ikke er optaget ved 0K). For at fjerne uden for metallet skal forskellige elektroner have forskellige energier. Således skal en elektron placeret på det laveste niveau af ledningsbåndet tilføres energi; for en elektron på Fermi-niveau er energien tilstrækkelig .

Den mindste energi, der skal tilføres en elektron for at fjerne den fra et fast eller flydende legeme til et vakuum kaldes arbejdsudgang. Arbejdsfunktionen for en elektron fra et metal bestemmes af udtrykket

Vi fik dette udtryk under den antagelse, at temperaturen på metallet er 0K. Ved andre temperaturer defineres arbejdsfunktionen også som forskellen mellem dybden af ​​den potentielle brønd og Fermi-niveauet, dvs. definition (4) udvides til enhver temperatur. Den samme definition gælder for halvledere.

Fermi-niveauet er temperaturafhængigt. Derudover ændres den potentielle brønddybde lidt på grund af ændringen i den gennemsnitlige afstand mellem atomer på grund af termisk ekspansion. Dette resulterer i, at arbejdsfunktionen er lidt temperaturafhængig.

Arbejdsfunktionen er meget følsom over for metaloverfladens tilstand, især for dens renhed. Efter passende valg af fig. otte.

overfladebelægning, kan arbejdsfunktionen reduceres kraftigt. For eksempel reducerer aflejringen af ​​et jordalkalimetaloxid (Ca, Sr, Ba) lag på wolframoverfladen arbejdsfunktionen fra 4,5 eV (for ren W) til 1,5 - 2 eV.

Intern fotoelektrisk effekt

Ovenfor talte vi om frigivelse af elektroner fra den oplyste overflade af et stof og deres overgang til et andet medium, især i et vakuum. Denne emission af elektroner kaldes fotoelektronemission og selve fænomenet ekstern fotoelektrisk effekt. Sammen med det, den såkaldte intern fotoelektrisk effekt, hvor, i modsætning til de eksterne, optisk ophidsede elektroner forbliver inde i det oplyste legeme uden at krænke neutraliteten af ​​sidstnævnte. I dette tilfælde ændres koncentrationen af ​​ladningsbærere eller deres mobilitet i stoffet, hvilket fører til en ændring i stoffets elektriske egenskaber under påvirkning af lyset, der falder på det. Den interne fotoelektriske effekt er kun iboende i halvledere og dielektrikum. Det kan detekteres især ved ændringen i ledningsevne for homogene halvledere, når de belyses. Baseret på dette fænomen - fotokonduktivitet en stor gruppe lysmodtagere er oprettet og forbedres konstant - fotoresistorer... De bruger hovedsageligt cadmium selenid og sulfid.

I inhomogene halvledere sammen med en ændring i ledningsevne observeres også dannelsen af ​​en potentiel forskel (foto-emf). Dette fænomen (fotovoltaisk virkning) skyldes, at der på grund af homogeniteten af ​​ledningsevnen af ​​halvledere er en rumlig adskillelse inden i volumenet af lederen af ​​optisk exciterede elektroner, der bærer en negativ ladning og mikrozoner (huller), der opstår i den umiddelbare nærhed af atomer, hvorfra elektroner er revet af, og lignende partikler, der bærer positiv elementær ladning. Elektroner og huller er koncentreret i forskellige ender af halvlederen, hvilket resulterer i, at der opstår en elektromotorisk kraft, som den genereres uden anvendelse af en ekstern emk. en elektrisk strøm i en belastning, der er forbundet parallelt med en belyst halvleder. Således opnås en direkte konvertering af lysenergi til elektrisk energi. Det er af denne grund, at solcellemodtagere ikke kun bruges til registrering af lyssignaler, men også i elektriske kredsløb som kilder til elektrisk energi.

De vigtigste kommercielt tilgængelige typer af sådanne modtagere fungerer på basis af selen og sølvsulfid. Silicium, germanium og en række forbindelser - GaAs, InSb, CdTe og andre - er også meget udbredte. Solceller, der bruges til at omdanne solenergi til elektrisk energi, er blevet særlig udbredt inden for rumforskning som kilder til indbygget strøm. De har en relativt høj effektivitet (op til 20%) og er meget bekvemme under forholdene med autonom rumfartøjsflyvning. I moderne solceller, afhængigt af halvledermaterialet, foto - emf. når 1 - 2 V, strømafgang er flere titusinder af milliamperes, og for 1 kg masse når udgangseffekten hundreder af watt.

Fotoelektrisk effekt blev opdaget i 1887 af den tyske fysiker G. Hertz og eksperimentelt undersøgt af A.G. Stoletov i 1888-1890. Den mest komplette undersøgelse af fænomenet fotoelektrisk effekt blev udført af F. Lenard i 1900. På dette tidspunkt var elektronen allerede opdaget (1897, J. Thomson), og det blev klart, at fotoeffekten (eller mere netop den eksterne fotoeffekt) består i udvinding af elektroner fra stof under påvirkning af lyset, der falder på det.

En skematisk oversigt over den eksperimentelle opsætning til at studere den fotoelektriske effekt er vist i fig. 5.2.1.

I eksperimenterne brugte vi en glasvakuumballon med to metalelektroder, hvis overflade blev grundigt rengjort. En vis spænding blev påført elektroderne U, hvis polaritet kunne ændres ved hjælp af en dobbeltnøgle. En af elektroderne (katoden K) gennem et kvartsvindue blev belyst med monokromatisk lys med en vis bølgelængde λ. Med en konstant lysstrøm blev afhængigheden af ​​lysstrømmen målt jeg fra den anvendte spænding. I fig. 5.2.2 viser typiske kurver for denne afhængighed opnået ved to værdier af intensiteten af ​​lysstrømmen, der falder ind på katoden.

Kurverne viser, at ved tilstrækkelig høje positive spændinger ved anoden A når fotostrømningen mætning, da alle elektroner trukket ud af lyset fra katoden når anoden. Omhyggelige målinger har vist, at mætningsstrømmen jeg n er direkte proportional med intensiteten af ​​det indfaldende lys. Når anodespændingen er negativ, hæmmer det elektriske felt mellem katoden og anoden elektronerne. Anoden kan kun nås med de elektroner, hvis kinetiske energi overstiger | eU|. Hvis anodespændingen er mindre end - U s, fotostrømmen stopper. Måling U s, kan du bestemme den maksimale kinetiske energi af fotoelektroner:

Til forskeres overraskelse, størrelsen U s viste sig at være uafhængig af intensiteten af ​​den indfaldende lysstrøm. Omhyggelige målinger har vist, at blokeringspotentialet stiger lineært med en stigning i lysets frekvens ν (fig. 5.2.3).

Talrige eksperimenter har etableret følgende grundlæggende love for den fotoelektriske effekt:

1. Den maksimale kinetiske energi for fotoelektroner stiger lineært med en stigning i lysfrekvensen ν og afhænger ikke af dens intensitet.

2. For hvert stof er der en såkaldt rød kant fotoeffekt , dvs. den laveste frekvens ν min, hvor den eksterne fotoeffekt stadig er mulig.

3. Antallet af fotoelektroner, der udstødes fra katoden af ​​lys i 1 s, er direkte proportionalt med lysintensiteten.

4. Den fotoelektriske effekt er praktisk talt inertiel, lysstrømmen vises straks efter start af belysning af katoden, forudsat at lysfrekvensen ν> ν min.

Alle disse regelmæssigheder i den fotoelektriske effekt modsatte grundlæggende ideerne fra klassisk fysik om interaktionen mellem lys og materie. Ifølge bølgekoncepter ville en elektron gradvis akkumulere energi, når den interagerer med en elektromagnetisk lysbølge, og det vil tage en betydelig tid, afhængigt af lysets intensitet, for elektronen at akkumulere nok energi til at flyve ud af katode. Beregninger viser, at denne tid skal beregnes i minutter eller timer. Erfaringen viser imidlertid, at fotoelektroner vises umiddelbart efter starten af ​​belysning af katoden. I denne model var det også umuligt at forstå eksistensen af ​​den røde kant af den fotoelektriske effekt. Bølgeteorien om lys kunne ikke forklare fotoelektronernes energi uafhængighed af lysstrømens intensitet og proportionaliteten af ​​den maksimale kinetiske energi til lysfrekvensen.

Således var den elektromagnetiske teori om lys ikke i stand til at forklare disse mønstre.

En vej ud blev fundet af A. Einstein i 1905. En teoretisk forklaring på de observerede regelmæssigheder af den fotoelektriske effekt blev givet af Einstein på baggrund af M. Plancks hypotese om, at lys udsendes og absorberes af visse dele og energien i hver del bestemmes af formlen E = h v, hvor h er Plancks konstant. Einstein tog det næste skridt i udviklingen af ​​kvantebegreber. Han konkluderede det lys har en diskontinuerlig (diskret) struktur. En elektromagnetisk bølge består af separate dele - kvante efterfølgende navngivet fotoner... Når der interageres med stof, overfører en foton fuldstændigt al sin energi hν til en elektron. En del af denne energi kan spredes af en elektron i kollisioner med stofatomer. Derudover bruges en del af elektronenergien på at overvinde den potentielle barriere ved metal-vakuumgrænsefladen. Til dette skal elektronen udføre udgangsarbejde A afhængigt af katodematerialets egenskaber. Den højeste kinetiske energi, som en fotoelektron, der udstødes fra katoden, kan have, bestemmes af energibesparelsesloven:

Denne formel kaldes normalt Einsteins ligning for den fotoelektriske effekt .

Ved hjælp af Einsteins ligning kan man forklare alle regelmæssighederne med den eksterne fotoelektriske effekt. Einsteins ligning indebærer en lineær afhængighed af den maksimale kinetiske energi på frekvens og uafhængighed af lysintensitet, eksistensen af ​​en rød kant og inertialiteten af ​​den fotoelektriske effekt. Det samlede antal fotoelektroner, der forlader katodeoverfladen i 1 s, skal være proportionalt med antallet af fotoner, der falder ind på overfladen i samme tid. Det følger heraf, at mætningsstrømmen skal være direkte proportional med intensiteten af ​​lysstrømmen.

Som følger af Einstein-ligningen, tangenten af ​​hældningen af ​​den lige linje, der udtrykker afhængigheden af ​​låsepotentialet U fra frekvens ν (figur 5.2.3), er lig med forholdet mellem Plancks konstant h til elektronladningen e:

Dette giver en mulighed for eksperimentelt at bestemme værdien af ​​Planck-konstanten. Sådanne målinger blev udført i 1914 af R. Millikan og gav god overensstemmelse med den værdi, der blev fundet af Planck. Disse målinger gjorde det også muligt at bestemme arbejdsfunktionen EN:

Hvor c er lysets hastighed, λ cr er den bølgelængde, der svarer til den røde kant af den fotoelektriske effekt. De fleste metaller har en arbejdsfunktion EN er flere elektronvolt (1 eV = 1.602 · 10 -19 J). I kvantefysik bruges elektron volt ofte som en energi måleenhed. Værdien af ​​Plancks konstant udtrykt i elektronvolt pr. Sekund er

Blandt metaller har alkaliske elementer den laveste arbejdsfunktion. For eksempel natrium EN= 1,9 eV, hvilket svarer til den røde kant af den fotoelektriske effekt λ cr ≈ 680 nm. Derfor bruges alkalimetalforbindelser til at skabe katoder i fotoceller designet til at registrere synligt lys.

Således viser lovene om den fotoelektriske effekt, at lys, når det udsendes og absorberes, opfører sig som en strøm af partikler, kaldet fotoner eller lys kvante .

Fotonenergien er

det følger, at fotonet har momentum

Således vendte teorien om lys, der havde afsluttet en revolution, der varede i to århundreder, igen tilbage til begrebet lyspartikler - legemer.

Men dette var ikke en mekanisk tilbagevenden til Newtons korpuskulære teori. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede blev det klart, at lys har en dobbelt karakter. Når lys udbreder sig, manifesteres dets bølgeegenskaber (interferens, diffraktion, polarisering), og når det interagerer med stof, er korpuskulære egenskaber (fotoelektrisk effekt). Denne dobbelte karakter af lys kaldes bølge-partikel dualitet , som Lomonosov talte om. Senere blev den dobbelte natur opdaget for elektroner og andre elementære partikler. Klassisk fysik kan ikke give en visuel model af kombinationen af ​​bølge- og korpuskulære egenskaber i mikroobjekter. Bevægelsen af ​​mikroobjekter styres ikke af Newtons klassiske mekaniklove, men af ​​kvantemekanikens love. Teorien om sortlegemsstråling, udviklet af M. Planck, og kvanteteorien om Einsteins fotoelektriske effekt ligger til grund for denne moderne videnskab.

Fotoelektrisk effekt er fænomenet med at rive lys ud af elektroner fra et metal (eksternt)

Den fotoelektriske effekt er emission af elektroner fra et stof under påvirkning af lys (eller enhver anden elektromagnetisk stråling). I kondenserede stoffer (faste og flydende) udsendes ekstern og intern fotoelektrisk effekt.

Den eksterne fotoelektriske effekt (fotoelektronemission) er emission af elektroner fra et stof under påvirkning af elektromagnetisk stråling. Elektroner, der undslipper fra et stof under en ekstern fotoelektrisk effekt, kaldes fotoelektroner, og den elektriske strøm, der genereres af dem, når de bevæger sig på en ordnet måde i et eksternt elektrisk felt kaldes en fotostrøm.

Den interne fotoelektriske effekt kaldes omfordeling af elektroner af energitilstande i faste og flydende halvledere og dielektriker, som opstår under påvirkning af stråling. Det manifesterer sig i en ændring i koncentrationen af ​​ladningsbærere i mediet og fører til udseendet af fotokonduktivitet eller ventilens fotoelektriske effekt.

Fotokonduktivitet er stigningen i et stofs elektriske ledningsevne under påvirkning af stråling.

Ventilen fotoelektrisk effekt er en slags intern fotoelektrisk effekt, det ser ud som en EMF (foto EMF), når den belyser kontakten mellem to forskellige halvledere eller en halvleder og et metal (i fravær af et eksternt elektrisk felt). Ventilens fotoelektriske effekt åbner vejen for direkte konvertering af solenergi til elektrisk energi.

Den multifotone fotoelektriske effekt er mulig, hvis lysintensiteten er meget høj (for eksempel når du bruger laserstråler). I dette tilfælde kan elektronen, der udsendes af metallet, samtidig modtage energi ikke fra en, men fra flere fotoner.

Stoletovs love

Første lov
Undersøgelse af strømens afhængighed i ballonen af ​​spændingen mellem elektroderne ved en konstant lysstrøm til en af ​​dem, etablerede han den første lov om den fotoelektriske effekt.

Mætningens lysstrøm er proportional med lysstrømmen, der falder ind på metallet.

T. til. strømstyrken bestemmes af ladningens størrelse, og lysstrømmen bestemmes af lysstrålens energi, så kan vi sige:

antallet af elektroner, der er slået ud i 1 s fra et stof, er proportionalt med lysintensiteten, der falder på dette stof.

Anden lov

Ved at ændre lysforholdene på den samme installation opdagede A. G. Stoletov den anden lov om den fotoelektriske effekt: fotoelektronernes kinetiske energi afhænger ikke af intensiteten af ​​det indfaldende lys, men afhænger af dens frekvens.

Det fulgte af erfaring, at hvis frekvensen af ​​lys øges, med en konstant lysstrøm, øges blokeringsspændingen, og derfor stiger også den kinetiske energi af fotoelektroner. Således stiger fotoelektrons kinetiske energi lineært med lysfrekvensen.

Den tredje lov

Ved at udskifte fotokatodematerialet i enheden etablerede Stoletov den tredje lov om den fotoelektriske effekt: for hvert stof er der en rød kant af fotoeffekten, dvs. der er den laveste frekvens nmin, hvor den fotoelektriske effekt stadig er mulig.

Loven om bevarelse af energi, skrevet af Einstein til den fotoelektriske effekt, består i udsagnet om, at energien af ​​et foton erhvervet af en elektron tillader det at forlade overfladen af ​​lederen efter at have afsluttet arbejdsfunktionen. Resten af ​​energien realiseres i form af kinetisk energi af den nu frie elektron

Energien fra den indfaldende foton bruges til elektronen til at udføre arbejdsfunktionen A fra metallet og til transmission af den kinetiske energi mv2max / 2 til den udsendte fotoelektron. I henhold til loven om energibesparelse,

(203.1)

Ligning (203.1) kaldes Einstein-ligningen for den eksterne fotoelektriske effekt.

Compton-effekt

Ændring i lysets bølgelængde, når den spredes af bundne elektroner

RESERFORDS ERFARINGER: PLANETÆR ATOM MODEL

Eksperimenter med Rutherford. Elektronmassen er flere tusinde gange mindre end massen af ​​atomer. Da atomet som helhed er neutralt, falder følgelig hovedparten af ​​atomet på dets positivt ladede del.

Til en eksperimentel undersøgelse af fordelingen af ​​den positive ladning og dermed massen inde i atomet foreslog Ernest Rutherford i 1906 at bruge sonderingen af ​​atomet ved hjælp af -partikler. Disse partikler stammer fra henfaldet af radium og nogle andre grundstoffer. Deres masse er ca. 8000 gange massen af ​​en elektron, og deres positive ladning er lig med størrelsen to gange elektronladningen. Disse er intet andet end fuldt ioniserede heliumatomer. Hastigheden på -partikler er meget høj: den er 1/15 lysets hastighed.

Med disse partikler bombarderede Rutherford atomerne i tunge grundstoffer. På grund af deres lave masse kan elektroner ikke mærkbart ændre en partikels bane, ligesom en rullesten på flere snesevis af gram ikke kan ændre dens hastighed markant i en kollision med en bil.

Planetarisk model af atomet. Baseret på sine eksperimenter skabte Rutherford en planetarisk model af atomet. I midten af ​​atomet er der en positivt ladet kerne, hvor næsten al massen af ​​atomet er koncentreret. Generelt er atomet neutralt. Derfor er antallet af intra-atomare elektroner ligesom kernens ladning lig med det ordinære antal af elementet i det periodiske system. Det er klart, at elektroner ikke kan hvile inde i et atom, da de ville falde på kernen. De bevæger sig rundt om kernen, ligesom planeterne drejer sig om solen. Denne karakter af elektroners bevægelse bestemmes af virkningen af ​​Coulomb tiltrækningskræfter fra siden af ​​kernen.