Fotoelektrilise efekti avastamise ajalugu. Fotoelektriline efekt. fotoefekti tüübid. Stoletovi seadused. Einsteini võrrand välise fotoelektrilise efekti jaoks

1887. aastal avastas Heinrich Rudolf Hertz nähtuse, mida hiljem nimetati fotoelektriliseks efektiks. Ta võttis selle kokku järgmiselt:

Kui elavhõbedalambi valgus suunatakse naatriummetallile, lendavad elektronid selle pinnalt välja.

Fotoelektrilise efekti kaasaegne formulatsioon on erinev:

Kui valguskvandid langevad ainele ja kui need seejärel aines neelduvad, vabanevad laetud osakesed osaliselt või täielikult.

Teisisõnu, valguse footonite neeldumisel täheldatakse järgmist:

1. Elektronide emissioon ainest
2. Aine elektrijuhtivuse muutus
3. Foto-EMF-i esinemine erineva juhtivusega kandjate (nt metall-pooljuht) liideses

Praegu on kolme tüüpi fotoelektrilisi efekte:

1. Sisemine fotoelektriline efekt. See seisneb pooljuhtide juhtivuse muutmises. Seda kasutatakse fototakistites, mida kasutatakse röntgen- ja ultraviolettkiirguse dosimeetrites, samuti meditsiiniseadmetes (oksümeeter) ja tulekahjusignalisatsioonides.
2. Klapi fotoelektriline efekt. See seisneb foto-EMF esinemises ainete liideses erinevat tüüpi juhtivus, mis tuleneb elektrilaengukandjate eraldamisest elektriväljaga. Seda kasutatakse päikesepaneelides, seleeni fotoelementides ja valgusandurites.
3. väline fotoelektriline efekt. Nagu varem mainitud, on see protsess, kus elektronid jätavad elektromagnetilise kiirguse kvantide toimel aine vaakumisse.

Välise fotoelektrilise efekti seadused.

Need paigaldasid Philip Lenard ja Aleksandr Grigorjevitš Stoletov 20. sajandi vahetusel. Need teadlased mõõtsid väljutatud elektronide arvu ja nende kiirust sõltuvalt toitekiirguse intensiivsusest ja sagedusest.

Esimene seadus (Stoletovi seadus):

Küllastuse fotovoolu tugevus on otseselt võrdeline valgusvooga, st. ainele langev kiirgus.

Teoreetiline sõnastus: Kui elektroodide vaheline pinge on võrdne nulliga, ei ole fotovool võrdne nulliga. See on tingitud asjaolust, et pärast metallist lahkumist on elektronidel kineetiline energia. Anoodi ja katoodi vahelise pinge olemasolul suureneb fotovoolu tugevus pinge suurenedes ja teatud pinge väärtusel saavutab vool maksimaalse väärtuse (küllastusfotovool). See tähendab, et voolu loomises osalevad kõik elektronid, mida elektromagnetkiirguse mõjul katoodi iga sekund kiirgab. Kui polaarsus on vastupidine, siis vool langeb ja muutub peagi nulliks. Siin töötab elektron aeglustava välja vastu kineetilise energia arvelt. Kiirguse intensiivsuse suurenemisega (footonite arvu suurenemisega) suureneb metallis neeldunud energiakvantide arv ja seega ka emiteeritud elektronide arv. See tähendab, et mida suurem on valgusvoog, seda suurem on küllastusfotovool.

I f us ~ F, I f us = k F

k - proportsionaalsuse koefitsient. Tundlikkus sõltub metalli olemusest. Metalli tundlikkus fotoelektrilise efekti suhtes suureneb valguse sageduse suurenedes (lainepikkuse vähenemisega).

See seaduse sõnastus on tehniline. See kehtib vaakumfotogalvaanilistele seadmetele.

Emiteeritud elektronide arv on otseselt võrdeline langeva voo tihedusega selle konstantse spektraalse koostise juures.

Teine seadus (Einsteini seadus):

Fotoelektroni maksimaalne algkineetiline energia on võrdeline langeva kiirgusvoo sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest.

E kē = => ~ hυ

Kolmas seadus ("punase piiri" seadus):

Igal ainel on minimaalne sagedus või maksimaalne lainepikkus, millest kaugemale fotoelektriline efekt puudub.

Seda sagedust (lainepikkust) nimetatakse fotoefekti "punaseks piiriks".

Seega kehtestab ta antud aine fotoelektrilise efekti tingimused sõltuvalt ainest pärineva elektroni tööfunktsioonist ja langevate footonite energiast.

Kui footoni energia on väiksem kui ainest pärineva elektroni tööfunktsioon, siis fotoelektrilist efekti ei ole. Kui footoni energia ületab tööfunktsiooni, läheb selle liig pärast footoni neeldumist fotoelektroni algseks kineetiliseks energiaks.

Selle rakendamine fotoelektrilise efekti seaduste selgitamiseks.

Einsteini võrrand fotoelektrilise efekti jaoks on energia jäävuse ja muundamise seaduse erijuhtum. Ta rajas oma teooria endiselt esilekerkiva kvantfüüsika seadustele.

Einstein sõnastas kolm ettepanekut:

1. Kokkupuutel ainega elektronidega neelduvad langevad footonid täielikult.
2. Üks footon interakteerub ainult ühe elektroniga.
3. Üks neeldunud footon aitab kaasa ainult ühe fotoelektroni vabanemisele mõne E kē .

Footoni energia kulutatakse ainest pärineva elektroni tööfunktsioonile (A välja) ja selle algsele kineetilisele energiale, mis on maksimaalne, kui elektron aine pinnalt lahkub.

E kē \u003d hυ - A välja

Mida suurem on langeva kiirguse sagedus, seda suurem on footoni energia ja seda rohkem (miinus tööfunktsioon) jääb fotoelektronide esialgseks kineetiliseks energiaks.

Mida intensiivsem on langev kiirgus, seda rohkem footoneid siseneb valgusvoogu ja seda rohkem elektrone suudab ainest lahkuda ja osaleda fotovoolu loomises. Seetõttu on küllastusfotovoolu tugevus proportsionaalne valgusvooga (I f us ~ F). Algne kineetiline energia ei sõltu aga intensiivsusest, sest üks elektron neelab ainult ühe footoni energiat.

Fotoelektriline efekt on elektronide valguse väljatõmbamise nähtus metallist (välimine)

Fotoelektriline efekt on elektronide emissioon aine poolt valguse (või mõne muu elektromagnetilise kiirguse) toimel. Kondenseerunud ainetes (tahketes ja vedelates) eristatakse väliseid ja sisemisi fotoelektrilisi efekte.

Väline fotoelektriline efekt (fotoelektronide emissioon) on elektronide emissioon aine poolt elektromagnetkiirguse toimel. Ainest välise fotoefekti toimel eralduvaid elektrone nimetatakse fotoelektroniteks ja elektrit, mis moodustuvad nende poolt korraldatud liikumise ajal välises elektriväljas, nimetatakse fotovooluks.

Sisemine fotoelektriline efekt on elektronide ümberjaotumine energia olekute vahel tahketes ja vedelates pooljuhtides ja dielektrikutes, mis toimub kiirguse toimel. See väljendub laengukandjate kontsentratsiooni muutumises keskkonnas ja viib fotojuhtivuse või klapi fotoelektrilise efekti ilmnemiseni.

Fotojuhtivus on aine elektrijuhtivuse suurenemine kiirguse toimel.

Klapi fotoelektriline efekt on omamoodi sisemine fotoelektriline efekt - see on EMF (foto EMF) esinemine kahe erineva pooljuhi või pooljuhi ja metalli kokkupuute valgustamisel (välise elektrivälja puudumisel). Klapi fotoelektriline efekt avab tee päikeseenergia otseseks muundamiseks elektrienergiaks.

Mitmefotoni fotoelektriline efekt on võimalik, kui valguse intensiivsus on väga kõrge (näiteks laserkiirte kasutamisel). Sel juhul võib metalli kiiratav elektron energiat korraga vastu võtta mitte ühelt, vaid mitmelt footonilt.

Stoletovi seadused

Esimene seadus
Uurides õhupallis oleva voolutugevuse sõltuvust elektroodide vahelisest pingest, millel on pidev valgusvoog ühele neist, kehtestas ta fotoelektrilise efekti esimese seaduse.

Küllastuse fotovool on võrdeline metallile langeva valgusvooga.

Sest voolutugevuse määrab laengu suurus ja valgusvoo määrab valguskiire energia, siis võime öelda:

ainest 1 s jooksul välja löövate elektronide arv on võrdeline sellele ainele langeva valguse intensiivsusega.

Teine seadus

Samal installatsioonil valgustingimusi muutes avastas A. G. Stoletov fotoelektrilise efekti teise seaduse: fotoelektronide kineetiline energia ei sõltu langeva valguse intensiivsusest, vaid sõltub selle sagedusest.

Eksperimendist järeldub, et kui valguse sagedust suurendada, siis pideva valgusvoo korral suureneb blokeerimispinge ja sellest tulenevalt suureneb ka fotoelektronide kineetiline energia. Seega suureneb fotoelektronide kineetiline energia lineaarselt valguse sagedusega.

kolmas seadus

Asendades seadmes fotokatoodi materjali, kehtestas Stoletov fotoelektrilise efekti kolmanda seaduse: iga aine jaoks on fotoefekti punane piir, s.o. on olemas minimaalne sagedus nmin, mille juures fotoelektriline efekt on veel võimalik.

Einsteini poolt fotoelektrilise efekti jaoks kirjutatud energia jäävuse seadus on väide, et elektroni poolt omandatud footoni energia võimaldab tal lahkuda juhi pinnalt, olles täitnud tööfunktsiooni. Ülejäänud energia realiseerub nüüd vaba elektroni kineetilise energia kujul

Langeva footoni energia kulub metallist tööfunktsiooni A täitvale elektronile ja kineetilise energia mv2max/2 edastamisele kiiratavale fotoelektronile. Vastavalt energia jäävuse seadusele,

(203.1)

Võrrandit (203.1) nimetatakse välise fotoelektrilise efekti Einsteini võrrandiks.

Comptoni efekt

Valguse lainepikkuse muutus seotud elektronide poolt hajumisel

RUTERFORDI EKSPERIMENTID. ATOMI PLANETAARMUDEL

Rutherfordi katsed. Elektronide mass on mitu tuhat korda väiksem kui aatomite mass. Kuna aatom tervikuna on neutraalne, langeb suurem osa aatomist selle positiivselt laetud osale.

Sest pilootuuring positiivse laengu jaotuse ja seega ka massi aatomi sees, Ernest Rutherford tegi 1906. aastal ettepaneku rakendada aatomi sondeerimist -osakeste abil. Need osakesed tekivad raadiumi ja mõne muu elemendi lagunemisel. Nende mass on umbes 8000 korda suurem elektroni massist ja positiivne laeng on mooduli poolest võrdne elektroni kahekordse laenguga. Need pole muud kui täielikult ioniseeritud heeliumi aatomid. -osakeste kiirus on väga suur: see on 1/15 valguse kiirusest.

Nende osakestega pommitas Rutherford raskete elementide aatomeid. Elektronid ei suuda oma väikese massi tõttu märgatavalt muuta -osakese trajektoori, nagu ka mitmekümnegrammine kivike ei suuda autoga kokkupõrkel oma kiirust oluliselt muuta.

Aatomi planetaarmudel. Oma katsete põhjal lõi Rutherford aatomi planeedimudeli. Aatomi keskel paikneb positiivselt laetud tuum, millesse on koondunud peaaegu kogu aatomi mass. Üldiselt on aatom neutraalne. Seetõttu on aatomisiseste elektronide arv ja ka tuuma laeng võrdne elemendi järjekorranumbriga perioodiline süsteem. On selge, et elektronid ei saa aatomi sees puhata, kuna nad kukuvad tuumale. Nad liiguvad ümber tuuma, nii nagu planeedid tiirlevad ümber päikese. Selle elektronide liikumise iseloomu määrab tuuma küljelt lähtuvate Coulombi tõmbejõudude toime.

fotoelektriline efekt avastas 1887. aastal saksa füüsik G. Hertz ja uuris eksperimentaalselt A. G. Stoletov aastatel 1888-1890. Kõige täielikuma fotoelektrilise efekti fenomeni uuris F. Lenard aastal 1900. Selleks ajaks oli elektron juba avastatud (1897, J. Thomson) ja selgus, et fotoefekt (või täpsemalt väline fotoelektriline efekt) seisneb elektronide väljatõmbamises ainest sellele langeva valguse mõjul.

Fotoelektrilise efekti uurimise eksperimentaalse seadistuse paigutus on näidatud joonisel fig. 5.2.1.

Katsetes kasutati kahe metallelektroodiga klaasist vaakumanumat, mille pind puhastati põhjalikult. Elektroodidele pandi pinge U, mille polaarsust saab muuta topeltvõtmega. Üks elektroodidest (katood K) valgustati läbi kvartsakna monokromaatilise valgusega teatud lainepikkusega λ. Pideva valgusvoo korral võeti fotovoolu tugevuse sõltuvus I rakendatud pingest. Joonisel fig. 5.2.2 näitab sellise sõltuvuse tüüpilisi kõveraid, mis on saadud katoodile langeva valgusvoo intensiivsuse kahe väärtuse korral.

Kõverad näitavad, et piisavalt kõrgete positiivsete pingete korral anoodil A jõuab fotovool küllastumiseni, kuna kõik elektronid, mis katoodilt valguse toimel väljuvad, jõuavad anoodile. Hoolikad mõõtmised on näidanud, et küllastusvool I n on otseselt võrdeline langeva valguse intensiivsusega. Kui pinge anoodil on negatiivne, aeglustab katoodi ja anoodi vaheline elektriväli elektronide liikumist. Anood võib jõuda ainult nende elektronideni, mille kineetiline energia ületab | EL|. Kui anoodi pinge on väiksem kui - U h, fotovool peatub. mõõtmine U h, on võimalik määrata fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia:

Teadlaste üllatuseks väärtus U h osutus sõltumatuks langeva valgusvoo intensiivsusest. Hoolikad mõõtmised on näidanud, et blokeerimispotentsiaal suureneb lineaarselt valguse sageduse ν suurenemisega (joonis 5.2.3).

Paljud katsetajad on kehtestanud järgmised fotoelektrilise efekti põhiseadused:

1. Fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sageduse ν suurenemisega ega sõltu selle intensiivsusest.

2. Iga aine kohta on nn punase äärisega fotoefekt , st madalaim sagedus ν min, mille juures väline fotoelektriline efekt on veel võimalik.

3. Katoodilt valguse poolt 1 s jooksul väljatõmmatud fotoelektronide arv on otseselt võrdeline valguse intensiivsusega.

4. Fotoefekt on praktiliselt inertsivaba, fotovool tekib kohe pärast katoodivalgustuse algust eeldusel, et valguse sagedus ν > ν min.

Kõik need fotoelektrilise efekti seadused olid põhimõtteliselt vastuolus klassikalise füüsika ideedega valguse ja aine vastastikmõju kohta. Lainekontseptsioonide kohaselt peaks elektron elektromagnetilise valguslainega interakteerudes energiat järk-järgult akumuleerima ja kuluks sõltuvalt valguse intensiivsusest palju aega, enne kui elektron koguks piisavalt energiat, et katoodist välja lennata. . Arvutused näitavad, et seda aega oleks pidanud arvestama minutites või tundides. Kogemus näitab aga, et fotoelektronid ilmuvad kohe pärast katoodi valgustamise algust. Selle mudeli puhul oli samuti võimatu mõista fotoelektrilise efekti punase piiri olemasolu. Valguse laineteooria ei suutnud seletada fotoelektronide energia sõltumatust valgusvoo intensiivsusest ja maksimaalse kineetilise energia proportsionaalsust valguse sagedusega.

Seega selgus, et valguse elektromagnetiline teooria ei suuda neid seaduspärasusi selgitada.

Väljapääsu leidis A. Einstein 1905. aastal. Teoreetilise seletuse fotoelektrilise efekti vaadeldud seaduspärasustele andis Einstein, tuginedes M. Plancki hüpoteesile, et valgus kiirgab ja neeldub teatud portsjonites ning igaühe energiast. selline osa määratakse valemiga E = h v, kus h on Plancki konstant. Einstein astus järgmise sammu kvantkontseptsioonide väljatöötamisel. Ta jõudis järeldusele, et valgusel on katkendlik (diskreetne) struktuur. Elektromagnetlaine koosneb eraldi osadest - kvantidest, hiljem nimetatud footonid. Ainega suheldes kannab footon üle kogu oma energia hν ühe elektroni suhtes. Osa sellest energiast võib elektron aine aatomitega kokkupõrkel hajutada. Lisaks kulub osa elektronide energiast metalli-vaakumi liidese potentsiaalse barjääri ületamiseks. Selleks peab elektron tegema tööfunktsioon A sõltuvalt katoodi materjali omadustest. Katoodilt emiteeritud fotoelektroni maksimaalne kineetiline energia on määratud energia jäävuse seadusega:

Seda valemit nimetatakse Einsteini võrrand fotoelektrilise efekti jaoks .

Einsteini võrrandit kasutades saab seletada kõiki välise fotoelektrilise efekti seaduspärasusi. Einsteini võrrandist tuleneb lineaarne sõltuvus maksimaalne kineetiline energia sagedusel ja sõltumatus valguse intensiivsusest, punase piiri olemasolu, inertsiaalne fotoelektriline efekt. Koguarv fotoelektronid, mis lahkuvad katoodi pinnalt 1 sekundi jooksul, peaksid olema võrdelised samal ajal pinnale langevate footonite arvuga. Sellest järeldub, et küllastusvool peab olema otseselt võrdeline valgusvoo intensiivsusega.

Nagu Einsteini võrrandist järeldub, blokeerimispotentsiaali sõltuvust väljendava sirge kalle U h sagedusest ν (joonis 5.2.3), võrdub Plancki konstandi suhtega h elektroni laengule e:

See võimaldab katseliselt määrata Plancki konstandi väärtust. Sellised mõõtmised tegi 1914. aastal R. Millikan ja need andsid Plancki leitud väärtusega hästi kokku. Need mõõtmised võimaldasid määrata ka tööfunktsiooni A:

Kus c- valguse kiirus, λ cr - fotoefekti punasele piirile vastav lainepikkus. Enamiku metallide puhul on tööfunktsioon A on paar elektronvolti (1 eV = 1,602 10 -19 J). Kvantfüüsikas kasutatakse sageli energiaühikuna elektronvolti. Plancki konstandi väärtus, väljendatuna elektronvoltides sekundis, on

Metallide hulgas on leeliselistel elementidel madalaim tööfunktsioon. Näiteks naatrium A= 1,9 eV, mis vastab fotoefekti punasele piirile λcr ≈ 680 nm. Seetõttu kasutatakse katoodide loomiseks leelismetalliühendeid fotoelemendid mõeldud nähtava valguse tuvastamiseks.

Seega näitavad fotoelektrilise efekti seadused, et valgus käitub kiirgamisel ja neeldumisel nagu osakeste voog, nn. footonid või valguskvandid .

Footonite energia on

sellest järeldub, et footonil on hoog

Nii pöördus valgusõpetus, olles lõpetanud kaks sajandit kestnud revolutsiooni, taas tagasi valgusosakeste – kehakeste – ideede juurde.

Kuid see ei olnud mehaaniline tagasipöördumine Newtoni korpuskulaarteooria juurde. 20. sajandi alguses sai selgeks, et valgusel on kahetine olemus. Valguse levimisel ilmnevad selle laineomadused (häire, difraktsioon, polarisatsioon) ja ainega interaktsioonil korpuskulaarsed (fotoelektriline efekt). Seda valguse kahetist olemust nimetatakse laine-osakeste duaalsus millest Lomonosov rääkis. Hiljem avastati elektronides ja teistes elementaarosakestes kahesugune olemus. Klassikaline füüsika ei suuda anda visuaalset mudelit mikroobjektide laine- ja korpuskulaarsete omaduste kombinatsioonist. Mikroobjektide liikumist juhivad mitte klassikalise Newtoni mehaanika seadused, vaid kvantmehaanika seadused. Selle kaasaegse teaduse aluseks on M. Plancki välja töötatud musta keha kiirguse teooria ja Einsteini fotoelektrilise efekti kvantteooria.

Ta väljendas hüpoteesi: valgust kiirgavad ja neelavad eraldi osad - kvantid (või footonid). Iga footoni energia määratakse valemiga E= h ν , Kus h- Plancki konstant, võrdne 6,63-ga. 10-34 J. s, ν on valguse sagedus. Plancki hüpotees selgitas paljusid nähtusi: eelkõige fotoelektrilise efekti fenomeni, mille avastas 1887. aastal saksa teadlane Heinrich Hertz ja mida uuris eksperimentaalselt vene teadlane A. G. Stoletov.

fotoelektriline efekt — See on elektronide emissioon aine poolt valguse mõjul.

Uuringu tulemusena tehti kindlaks kolm fotoelektrilise efekti seadust:

1. Küllastusvoolu tugevus on otseselt võrdeline keha pinnale langeva valguskiirguse intensiivsusega.

2. Fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest.

3. Kui valguse sagedus on väiksem kui antud aine jaoks määratletud minimaalne sagedus, siis fotoelektrilist efekti ei teki.

Fotovoolu sõltuvus pingest on näidatud joonisel 36.

Fotoelektrilise efekti teooria lõi saksa teadlane A. Einstein aastal 1905. Einsteini teooria põhineb metallist pärinevate elektronide tööfunktsiooni kontseptsioonil ja kvantvalguse emissiooni kontseptsioonil. Einsteini teooria kohaselt on fotoefektil järgmine seletus: neelates valguskvanti, omandab elektron energiat hv. Metallist lahkudes väheneb iga elektroni energia teatud koguse võrra, mida nimetatakse tööfunktsioon(A out). Tööfunktsioon on töö, mis on vajalik elektroni eemaldamiseks metallist. Elektronide maksimaalne energia pärast lahkumist (kui muid kadusid pole) on: mv 2/2 \u003d hv - A väljund, Seda võrrandit nimetatakse Einsteini võrrandiks .

Kui hν< Ja siis fotoelektrilist efekti ei teki. Tähendab, punase äärisega fotoefekt on võrdne ν min = A välja / h

Nimetatakse seadmeid, mille tööpõhimõttel on fotoelektrilise efekti nähtus fotoelemendid. Lihtsaim selline seade on vaakumfotoelement. Sellise fotoelemendi puudused on: madal vool, madal tundlikkus pikalainelise kiirguse suhtes, valmistamise raskus, vahelduvvooluahelates kasutamise võimatus. Seda kasutatakse fotomeetrias valguse intensiivsuse, heleduse, valgustuse mõõtmiseks, kinematograafias heli taasesitamiseks, fototelegraafides ja fototelefonides, tootmisprotsesside juhtimisel.

On pooljuhtfotoelemente, milles valguse toimel muutub voolukandjate kontsentratsioon, kasutatakse elektriahelate automaatjuhtimisel (näiteks metroo pöördväravates), vahelduvvooluahelates, taastumatute vooluallikatena. kellades, mikrokalkulaatorites katsetatakse esimesi päikeseautosid, neid kasutatakse maa tehissatelliitide päikesepatareides, planeetidevahelistes ja orbitaalsetes automaatjaamades.

Fotoelektrilise efekti nähtus on seotud fotomaterjalides valguse mõjul toimuvate fotokeemiliste protsessidega.

1. Fotoelektrilise efekti avastamise ajalugu

2. Stoletovi seadused

3. Einsteini võrrand

4. Sisemine fotoelektriline efekt

5. Fotoelektrilise efekti fenomeni rakendamine

Sissejuhatus

Valguse lainelise olemuse ideede põhjal on järjekindlalt seletatud arvukalt optilisi nähtusi. Kuid 19. sajandi lõpus - 20. sajandi alguses. avastanud ja uurinud selliseid nähtusi nagu fotoelektriline efekt, röntgenikiirgus, Comptoni efekti, aatomite ja molekulide kiirgust, soojuskiirgust ja muud, mille selgitamine laine vaatenurgast osutus võimatuks. Uute eksperimentaalsete faktide seletus saadi korpuskulaarsete ideede põhjal valguse olemuse kohta. Paradoksaalne olukord on tekkinud seoses laine ja osakese täiesti vastandlike füüsikaliste mudelite kasutamisega optiliste nähtuste selgitamiseks. Mõne nähtuse korral näitas valgus lainelisi omadusi, teistes - korpuskulaarseid omadusi.

Erinevate nähtuste hulgas, milles valguse mõju ainele avaldub, on olulisel kohal fotoelektriline efekt, see tähendab elektronide emissiooni aine poolt valguse mõjul. Selle nähtuse analüüs viis valguskvantide ideeni ja mängis äärmiselt olulist rolli kaasaegsete teoreetiliste kontseptsioonide väljatöötamisel. Samal ajal kasutatakse fotoelektrilist efekti fotoelementides, mis on ainult vastu võetud lai rakendus kõige erinevamates teaduse ja tehnoloogia valdkondades ning tõotab veelgi rikkamaid väljavaateid.

Fotoelektrilise efekti avastamise ajalugu

Fotoelektrilise efekti avastamise põhjuseks tuleks pidada 1887. aastat, mil Hertz avastas, et sädemevahe elektroodide valgustamine pinge all ultraviolettvalgusega hõlbustab nende vahelist sädet.

Hertzi avastatud nähtust saab jälgida järgmises kergesti teostatavas katses (joonis 1).

Sädemevahe F väärtus valitakse nii, et trafost T ja kondensaatorist C koosnevas ahelas hüppab säde vaevaliselt (üks-kaks minutis). Kui puhtast tsingist valmistatud elektroodid F valgustatakse Hg elavhõbedalambi valgusega, hõlbustab kondensaatori tühjenemist oluliselt: säde hakkab hüppama. 1. Hertzi katse skeem.

Fotoelektrilist efekti selgitas 1905. aastal Albert Einstein (selle eest ta sai Nobeli preemia), mis põhineb Max Plancki hüpoteesil valguse kvantloomuse kohta. Einsteini töö sisaldas uut olulist hüpoteesi – kui Planck pakkus, et valgust kiirgatakse ainult kvantiseeritud osadena, siis juba Einstein uskus, et valgus eksisteerib ainult kvantportsjonitena. Valguse kui osakeste (footonite) kontseptsioonist järgneb koheselt Einsteini fotoelektrilise efekti valem:

kus on emiteeritud elektroni kineetiline energia, on antud aine tööfunktsioon, on langeva valguse sagedus, on Plancki konstant, mis osutus täpselt samaks, mis Plancki musta keha kiirguse valemis.

Sellest valemist järeldub fotoelektrilise efekti punase piiri olemasolu. Seega olid fotoelektrilise efekti uuringud ühed varasematest kvantmehaanilistest uuringutest.

Stoletovi seadused

Esmakordselt (1888–1890), analüüsides üksikasjalikult fotoelektrilise efekti fenomeni, leidis vene füüsik A.G. Stoletov saavutas põhimõtteliselt olulisi tulemusi. Erinevalt eelmistest teadlastest võttis ta elektroodide vahel väikese potentsiaalivahe. Stoletovi katse skeem on näidatud joonisel fig. 2.

Aku külge on kinnitatud kaks elektroodi (üks võre kujul, teine ​​lame), mis asuvad vaakumis. Skeemis sisalduvat ampermeetrit kasutatakse tekkiva voolutugevuse mõõtmiseks. Katoodi kiiritades erineva lainepikkusega valgusega jõudis Stoletov järeldusele, et kõige rohkem tõhus tegevus renderdama ultraviolettkiired. Lisaks leiti, et valguse toimel tekkiva voolu tugevus on otseselt võrdeline selle intensiivsusega.

1898. aastal kasutasid Lenard ja Thomson laengu läbipainde meetodit elektri- ja magnetväljad määras välja paisatud laetud osakeste erilaengu 2. Stoletovi katse skeem.

valgust katoodilt ja sai väljenduse

SGSE üksus s/g, mis langeb kokku elektroni teadaoleva erilaenguga. Sellest järeldub, et valguse toimel paiskuvad elektronid katoodi materjalist välja.

Saadud tulemusi kokku võttes järgmine mustrid fotoelektriline efekt:

1. Konstantse valguse spektraalse koostise korral on küllastusfotovoolu tugevus otseselt võrdeline katoodile langeva valgusvooga.

2. Valguse poolt väljapaisatud elektronide esialgne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest.

3. Fotoelektrilist efekti ei teki, kui valguse sagedus on väiksem kui igale metallile iseloomulik teatud väärtus, mida nimetatakse punaseks piiriks.

Fotoefekti esimest mustrit, aga ka fotoefekti enda tekkimist, on klassikalise füüsika seaduste põhjal lihtne seletada. Tõepoolest, valgusväli, mis mõjutab metalli sees olevaid elektrone, ergastab nende võnkumisi. Sundvõnkumiste amplituud võib jõuda sellise väärtuseni, mille juures elektronid metallist lahkuvad; siis täheldatakse fotoelektrilist efekti.

Arvestades tõsiasja, et klassikalise teooria kohaselt on valguse intensiivsus otseselt võrdeline elektrivektori ruuduga, suureneb valguse intensiivsuse suurenedes väljutatavate elektronide arv.

Fotoelektrilise efekti teist ja kolmandat seadust klassikalise füüsika seadused ei seleta.

Metalli monokromaatilise valguse vooluga kiiritamisel tekkiva fotovoolu (joonis 3) sõltuvuse uurimine elektroodide potentsiaalide erinevusest (sellist sõltuvust nimetatakse tavaliselt fotovoolu volt-amprikarakteristikuks), leiti, et: 1) fotovool ei toimu mitte ainult kell, vaid ka kell ; 2) fotovool erineb nullist kuni antud metalli jaoks rangelt määratletud potentsiaalide erinevuse negatiivse väärtuseni, nn aegluspotentsiaali; 3) blokeeriva (viivituse) potentsiaali suurus ei sõltu langeva valguse intensiivsusest; 4) fotovool suureneb aeglustava potentsiaali absoluutväärtuse vähenemisega; 5) fotovoolu väärtus kasvab koos kasvuga ja alates teatud väärtusest muutub fotovool (nn küllastusvool) konstantseks; 6) küllastusvoolu väärtus suureneb langeva valguse intensiivsuse suurenedes; 7) viivituse väärtus 3. Funktsioon

potentsiaal sõltub langeva valguse sagedusest; fotovool.

8) valguse toimel väljutatavate elektronide kiirus ei sõltu valguse intensiivsusest, vaid sõltub ainult selle sagedusest.

Einsteini võrrand

Fotoelektrilise efekti nähtus ja kõik selle seadused on hästi seletatavad valguse kvantteooria abil, mis kinnitab valguse kvantolemust.

Nagu juba märgitud, esitas Einstein (1905) Plancki kvantteooriat arendades idee, et mitte ainult kiirgus ja neeldumine, vaid ka valguse levik ei toimu osadena (kvantidena), mille energia ja impulss on:

kus on piki lainevektorit suunatud ühikvektor. Rakendades energia jäävuse seadust metallide fotoelektrilise efekti nähtusele, pakkus Einstein välja järgmise valemi:

, (1)

kus on metallist saadava elektroni tööfunktsioon, on fotoelektroni kiirus. Einsteini järgi neeldub iga kvant ainult üks elektron ja osa langeva footoni energiast kulub metalli elektronide tööfunktsioonile, ülejäänud osa aga annab elektronile kineetilise energia.

Nagu tuleneb punktist (1), saab metallide fotoelektriline efekt ilmneda ainult kell, vastasel juhul ei piisa footoni energiast elektroni metallist väljutamiseks. Valguse madalaim sagedus, mille mõjul tekib fotoelektriline efekt, on ilmselgelt määratud tingimusest

Tingimusega (2) määratud valguse sagedust nimetatakse fotoefekti "punaseks piiriks". Sõnal "punane" pole midagi pistmist valguse värviga, milles fotoelektriline efekt ilmneb. Sõltuvalt metalli tüübist võib fotoelektrilise efekti "punane piir" vastata punasele, kollasele, violetsele, ultraviolettvalgusele jne.

Einsteini valemi abil saab seletada ka teisi fotoelektrilise efekti seaduspärasusi.

Oletame, et st anoodi ja katoodi vahel on aeglustuspotentsiaal. Kui elektronide kineetiline energia on piisav, loovad nad aeglustava välja ületades fotovoolu. Fotovool hõlmab neid elektrone, mille tingimus on täidetud . Aeglustuspotentsiaali väärtus määratakse tingimuse järgi

, (3)

Kus - maksimaalne kiirus väljutatud elektronid. Riis. 4.

Asendades (3) väärtusega (1), saame

Seega ei sõltu aeglustava potentsiaali suurus intensiivsusest, vaid sõltub ainult langeva valguse sagedusest.

Metallist elektronide tööfunktsiooni ja Plancki konstandi saab määrata, joonistades sõltuvuse langeva valguse sagedusest (joonis 4). Nagu näete, annab potentsiaaliteljest ära lõigatud segment .

Arvestades asjaolu, et valguse intensiivsus on otseselt võrdeline footonite arvuga, põhjustab langeva valguse intensiivsuse suurenemine väljutatavate elektronide arvu suurenemist, st fotovoolu suurenemist.

Einsteini valemil fotoelektrilise efekti kohta mittemetallides on vorm

.

Olemasolu - seotud elektroni eraldamise töö aatomist mittemetallide sees - on seletatav asjaoluga, et erinevalt metallidest, kus on vabad elektronid, on mittemetallides elektronid aatomitega seotud olekus. Ilmselgelt kulub valguse langemisel mittemetallidele osa valgusenergiast aatomis toimuvale fotoelektrilisele efektile – elektroni eraldamisele aatomist ning ülejäänu kulub elektroni tööfunktsioonile ja kineetika andmisele. energiat elektronile.

Juhtivuselektronid ei lahku metallist spontaanselt märgatavas koguses. Seda seletatakse asjaoluga, et metall kujutab endast nende jaoks potentsiaalset kaevu. Metalli on võimalik jätta ainult nendele elektronidele, mille energiast piisab pinnal eksisteeriva potentsiaalse barjääri ületamiseks. Selle barjääri tekitavatel jõududel on järgmine päritolu. Elektroni juhuslik eemaldamine võre positiivsete ioonide väliskihist põhjustab liigse positiivse laengu ilmnemist kohta, kust elektron lahkus. Coulombi interaktsioon selle laenguga põhjustab elektroni, mille kiirus ei ole väga suur, tagasipöördumise. Seega väljuvad üksikud elektronid metallipinnalt kogu aeg, eemalduvad sellest mitme aatomitevahelise vahemaa võrra ja pöörduvad seejärel tagasi. Selle tulemusena ümbritseb metalli õhuke elektronide pilv. See pilv koos ioonide väliskihiga moodustab kahekordse elektrikihi (joon. 5; ringid - ioonid, mustad täpid - elektronid). Sellises kihis elektronile mõjuvad jõud on suunatud metalli sisse. Nende jõudude vastu tehtav töö elektroni kandmisel metallist väljapoole läheb elektroni potentsiaalse energia suurendamiseks (joonis 5).

Seega on valentselektronide potentsiaalne energia metalli sees väiksem kui väljaspool metalli summa võrra, mis võrdub potentsiaalse süvendi sügavusega (joon. 6). Energia muutus toimub mitme aatomitevahelise vahemaa pikkuse ulatuses, seetõttu võib kaevu seinu pidada vertikaalseks.

Elektroni potentsiaalne energia Joon. 6.

ja elektroni asukoha punkti potentsiaalil on vastupidised märgid. Sellest järeldub, et metalli sees olev potentsiaal on võrra suurem kui potentsiaal selle pinna vahetus läheduses.

Metallile liigse positiivse laengu andmine suurendab potentsiaali nii metalli pinnal kui ka sees. Vastavalt väheneb elektroni potentsiaalne energia (joon. 7, a).

Võrdluspunktiks võetakse potentsiaalse ja potentsiaalse energia väärtused lõpmatuses. Negatiivse laengu sisseviimine vähendab potentsiaali metalli sees ja väljaspool. Vastavalt sellele suureneb elektroni potentsiaalne energia (joon. 7, b).

Elektroni koguenergia metallis on potentsiaalse ja kineetilise energia summa. Kell absoluutne null juhtivuse elektronide kineetilise energia väärtused on vahemikus nullist kuni energiani, mis langeb kokku Fermi tasemega. Joonisel fig. Joonisel 8 on juhtivusriba energiatasemed kantud potentsiaalikaevu (punktiirjooned näitavad hõivamata taset 0K juures). Metallist välja liikumiseks tuleb erinevatele elektronidele anda erinev energia. Niisiis, juhtivusriba madalaimal tasemel asuvale elektronile tuleb anda energiat; Fermi tasemel oleva elektroni jaoks on energia piisav .

Väiksemat energiat, mis tuleb elektronile anda, et see tahkest või vedelast kehast vaakumisse viia, nimetatakse töölt lahkuda. Metallist pärit elektroni tööfunktsioon määratakse avaldisega

Selle avaldise oleme saanud eeldusel, et metalli temperatuur on 0K. Teistel temperatuuridel defineeritakse tööfunktsiooni ka kui erinevust potentsiaalikaevu sügavuse ja Fermi taseme vahel, st definitsiooni (4) laiendatakse mis tahes temperatuurile. Sama määratlus kehtib ka pooljuhtide kohta.

Fermi tase sõltub temperatuurist. Lisaks muutub soojuspaisumisest tingitud aatomitevaheliste keskmiste kauguste muutumise tõttu veidi potentsiaalikaevu sügavus. Selle tulemusena on tööfunktsioon veidi temperatuurist sõltuv.

Tööfunktsioon on väga tundlik metallpinna seisukorra, eriti selle puhtuse suhtes. Olles õigesti valinud Joon. 8.

pinnakattega, saab tööfunktsiooni oluliselt vähendada. Nii näiteks vähendab leelismuldmetalli (Ca, Sr, Ba) oksiidikihi sadestumine volframi pinnale tööfunktsiooni 4,5 eV-lt (puhta W puhul) 1,5-2 eV-ni.

Sisemine fotoelektriline efekt

Eespool oli juttu elektronide vabanemisest aine valgustatud pinnalt ja nende üleminekust teise keskkonda, eelkõige vaakumisse. Seda elektronide emissiooni nimetatakse fotoelektrooniline emissioon, vaid nähtus ise väline fotoelektriline efekt. Koos sellega on tuntud ja praktilisel otstarbel laialdaselt kasutatav ka nn sisemine fotoelektriline efekt, mille juures erinevalt välisest jäävad optiliselt ergastatud elektronid valgustatud keha sisse, rikkumata viimase neutraalsust. Sel juhul muutub aines laengukandjate kontsentratsioon või nende liikuvus, mis toob kaasa aine elektriliste omaduste muutumise sellele langeva valguse toimel. Sisemine fotoelektriline efekt on omane ainult pooljuhtidele ja dielektrikutele. Seda saab tuvastada eelkõige homogeensete pooljuhtide juhtivuse muutumise järgi, kui need on valgustatud. Selle nähtuse põhjal fotojuhtivus on loodud suur rühm valgusvastuvõtjaid, mida pidevalt täiustatakse - fototakistid. Nad kasutavad peamiselt seleniidi ja kaadmiumsulfiidi.

Ebahomogeensetes pooljuhtides täheldatakse koos juhtivuse muutumisega ka potentsiaalsete erinevuste teket (foto - emf). See nähtus (fotogalvaaniline efekt) on tingitud asjaolust, et pooljuhtide juhtivuse homogeensuse tõttu toimub optiliselt ergastatud elektronide, mis kannavad negatiivset laengut, ja tekkivate mikrotsoonide (aukude) ruumalas ruumiline eraldumine. aatomite vahetus läheduses, millest elektronid on rebitud, ja nagu kandjate osakesed positiivse elementaarlaenguga. Elektronid ja augud koonduvad pooljuhi erinevatesse otstesse, mille tulemusena tekib elektromotoorjõud, mille tõttu see tekib ilma välise emfi rakendamiseta. elektrivool valgustatud pooljuhiga paralleelselt ühendatud koormuses. Sel viisil saavutatakse valguse energia otsene muundamine elektrienergiaks. Just sel põhjusel kasutatakse fotogalvaanilisi valgusvastuvõtjaid mitte ainult valgussignaalide registreerimiseks, vaid ka elektriahelates elektrienergia allikatena.

Selliste vastuvõtjate peamised tööstuslikud tüübid töötavad seleeni ja hõbesulfiidi baasil. Väga levinud on ka räni, germaanium ja hulk ühendeid – GaAs, InSb, CdTe jt. Päikeseenergia elektrienergiaks muundamiseks kasutatavaid fotogalvaanilisi elemente on kosmoseuuringutes eriti laialdaselt kasutatud parda toiteallikatena. Nende määr on suhteliselt kõrge kasulik tegevus(kuni 20%), autonoomsel lennul väga mugav kosmoselaev. Kaasaegsetes päikesepatareides olenevalt pooljuhtmaterjalist foto - emf. ulatub 1–2 V, voolu eemaldamine - mitukümmend milliamprit ja 1 kg massi korral ulatub väljundvõimsus sadadesse vattidesse.