Valosähköisen efektin löytämisen historia. Valosähköinen efekti. valosähköisten efektien tyypit. Stoletovin lait. Einsteinin yhtälö ulkoiselle valosähköiselle efektille

Vuonna 1887 Heinrich Rudolf Hertz löysi ilmiön, jota myöhemmin kutsuttiin valosähköiseksi efektiksi. Hän tiivisti asian seuraavasti:

Jos elohopealampun valo suunnataan natriummetalliin, elektronit lentävät ulos sen pinnalta.

Valosähköisen efektin nykyaikainen muotoilu on erilainen:

Kun valokvantit putoavat aineen päälle ja kun ne myöhemmin imeytyvät aineeseen, varautuneita hiukkasia vapautuu osittain tai kokonaan.

Toisin sanoen, kun valofotonit absorboituvat, havaitaan seuraavaa:

1. Elektronien emissio aineesta
2. Muutos aineen sähkönjohtavuudessa
3. Valo-EMF:n esiintyminen eri johtavuudella omaavien välineiden rajapinnalla (esimerkiksi metalli-puolijohde)

Tällä hetkellä on olemassa kolmenlaisia ​​valosähköisiä tehosteita:

1. Sisäinen valosähköinen efekti. Se koostuu puolijohteiden johtavuuden muuttamisesta. Sitä käytetään valovastuksissa, joita käytetään röntgen- ja ultraviolettiannosmittareissa, ja sitä käytetään myös lääketieteellisissä laitteissa (oksimetri) ja palohälyttimissä.
2. Venttiilin valosähköinen efekti. Se koostuu foto-EMF:n esiintymisestä erityyppisten johtavuuden omaavien aineiden rajalla, mikä johtuu sähkövarauksen kantajien erottamisesta sähkökentällä. Sitä käytetään aurinkopaneeleissa, seleenivalokennoissa ja valoantureissa.
3. ulkoinen valosähköinen efekti. Kuten aiemmin mainittiin, tämä on prosessi, jossa elektronit pakenevat aineesta tyhjiöön sähkömagneettisen säteilyn kvanttien vaikutuksesta.

Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen lait.

Ne asensivat Philip Lenard ja Aleksandr Grigorjevitš Stoletov 1900-luvun vaihteessa. Nämä tutkijat mittasivat ulostyöntyneiden elektronien lukumäärän ja niiden nopeuden riippuen syöttösäteilyn intensiteetistä ja taajuudesta.

Ensimmäinen laki (Stoletovin laki):

Kyllästysvalovirran voimakkuus on suoraan verrannollinen valovirtaan, ts. sattuva säteily aineeseen.

Teoreettinen muotoilu: Kun elektrodien välinen jännite on nolla, valovirta ei ole nolla. Tämä johtuu siitä, että metallista poistumisen jälkeen elektroneilla on kineettistä energiaa. Anodin ja katodin välisen jännitteen läsnä ollessa valovirran voimakkuus kasvaa jännitteen kasvaessa, ja tietyllä jännitearvolla virta saavuttaa maksimiarvonsa (saturaatiovalovirta). Tämä tarkoittaa, että kaikki elektronit, jotka katodi lähettää joka sekunti sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta, osallistuvat virran muodostukseen. Kun napaisuus käännetään, virta laskee ja muuttuu pian nollaan. Tässä elektroni toimii hidastavaa kenttää vastaan ​​kineettisen energian kustannuksella. Säteilyn intensiteetin kasvaessa (fotonien määrän lisääntyessä) metallin absorboimien energiakvanttien määrä kasvaa ja siten myös emittoivien elektronien määrä. Tämä tarkoittaa, että mitä suurempi valovirta on, sitä suurempi saturaatiovalovirta.

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

k - suhteellisuuskerroin. Herkkyys riippuu metallin laadusta. Metallin herkkyys valosähköiselle efektille kasvaa valotaajuuden kasvaessa (aallonpituuden pienentyessä).

Tämä lain sanamuoto on tekninen. Se pätee tyhjiöaurinkosähkölaitteisiin.

Emitoituneiden elektronien lukumäärä on suoraan verrannollinen tulevan vuon tiheyteen sen vakiospektrikoostumuksessa.

Toinen laki (Einsteinin laki):

Valoelektronin suurin kineettinen alkuenergia on verrannollinen tulevan säteilyvirran taajuuteen eikä riipu sen intensiteetistä.

E kē = => ~ hυ

Kolmas laki ("punaisen rajan" laki):

Jokaisella aineella on vähimmäistaajuus tai enimmäisaallonpituus, jonka ylittyessä valosähköinen vaikutus puuttuu.

Tätä taajuutta (aallonpituutta) kutsutaan valosähköisen vaikutuksen "punaiseksi rajaksi".

Siten hän määrittää ehdot tietylle aineelle valosähköiselle vaikutukselle riippuen aineesta tulevan elektronin työtoiminnasta ja siihen tulevien fotonien energiasta.

Jos fotonin energia on pienempi kuin aineesta peräisin olevan elektronin työfunktio, valosähköistä vaikutusta ei ole. Jos fotonienergia ylittää työfunktion, niin sen ylimäärä fotonin absorption jälkeen menee fotoelektronin alkukineettiseen energiaan.

Sen soveltaminen selittämään valosähköisen vaikutuksen lakeja.

Einsteinin yhtälö valosähköiselle efektille on energian säilymisen ja muuntamisen lain erikoistapaus. Hän perusti teoriansa yhä esiin nousevan kvanttifysiikan lakeihin.

Einstein muotoili kolme ehdotusta:

1. Altistuessaan aineelle elektronien kanssa sattuvat fotonit absorboituvat täysin.
2. Yksi fotoni on vuorovaikutuksessa vain yhden elektronin kanssa.
3. Yksi absorboitunut fotoni myötävaikuttaa vain yhden fotoelektronin vapautumiseen jollain E kē .

Fotonin energia kuluu elektronin työfunktioon (A out) aineesta ja sen kineettiseen alkuenergiaan, joka on suurin, jos elektroni poistuu aineen pinnasta.

E kē \u003d hυ - A ulos

Mitä suurempi on tulevan säteilyn taajuus, sitä suurempi on fotonienergia ja sitä enemmän (miinus työfunktio) jää jäljelle fotoelektronien alkukineettistä energiaa.

Mitä voimakkaampaa tuleva säteily on, sitä enemmän fotoneja tulee valovirtaan ja sitä enemmän elektroneja pääsee poistumaan aineesta ja osallistumaan valovirran syntymiseen. Tästä syystä kyllästysvalovirran voimakkuus on proproproportiivinen suhteessa valovirtaan (I f us ~ F). Alkuperäinen kineettinen energia ei kuitenkaan riipu intensiteetistä, koska yksi elektroni absorboi vain yhden fotonin energiaa.

Valosähköinen vaikutus on ilmiö, jossa elektronien valo vetää pois metallista (ulkoinen)

Valosähköinen vaikutus on aineen elektronien emission valon (tai muun sähkömagneettisen säteilyn) vaikutuksesta. Kondensoituneissa aineissa (kiinteissä ja nestemäisissä) erotetaan ulkoiset ja sisäiset valosähköiset vaikutukset.

Ulkoinen valosähköinen vaikutus (valoelektroniemissio) on aineen elektronien emissio sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta. Aineesta ulkoisen valosähköisen vaikutuksen aikana karkaavia elektroneja kutsutaan fotoelektroneiksi ja niiden tuottamaa sähkövirtaa järjestetyn liikkeen aikana ulkoisessa sähkökentässä kutsutaan valovirraksi.

Sisäinen valosähköinen vaikutus on elektronien uudelleenjakauma energiatilojen yli kiinteissä ja nestemäisissä puolijohteissa ja eristeissä, mikä tapahtuu säteilyn vaikutuksesta. Se ilmenee väliaineen varauksenkuljettajien pitoisuuden muutoksena ja johtaa valonjohtavuuden tai venttiilin valosähköisen vaikutuksen ilmaantumiseen.

Valonjohtavuus on aineen sähkönjohtavuuden lisääntymistä säteilyn vaikutuksesta.

Venttiilin valosähköinen vaikutus on eräänlainen sisäinen valosähköinen vaikutus - tämä on EMF:n (valokuva EMF) esiintyminen, kun valaistaan ​​kahden eri puolijohteen tai puolijohteen ja metallin kosketusta (ulkoisen sähkökentän puuttuessa). Venttiilin valosähköinen vaikutus avaa tien aurinkoenergian suoralle muuntamiselle sähköenergiaksi.

Monifotoninen valosähköefekti on mahdollista, jos valon intensiteetti on erittäin korkea (esimerkiksi lasersäteitä käytettäessä). Tässä tapauksessa metallin lähettämä elektroni voi samanaikaisesti vastaanottaa energiaa ei yhdestä, vaan useista fotoneista.

Stoletovin lait

Ensimmäinen laki
Tutkiessaan pallon virran voimakkuuden riippuvuutta elektrodien välisestä jännitteestä, jolla on vakio valovirta yhteen niistä, hän loi valosähköisen vaikutuksen ensimmäisen lain.

Kyllästysvalovirta on verrannollinen metalliin tulevaan valovirtaan.

Koska virran voimakkuus määräytyy varauksen suuruuden mukaan ja valovirran määrää valonsäteen energia, niin voimme sanoa:

aineesta 1 sekunnissa syrjäytyneiden elektronien määrä on verrannollinen tähän aineeseen osuvan valon voimakkuuteen.

Toinen laki

Muuttamalla valaistusolosuhteita samassa asennuksessa A. G. Stoletov löysi valosähköisen vaikutuksen toisen lain: valoelektronien kineettinen energia ei riipu tulevan valon intensiteetistä, vaan riippuu sen taajuudesta.

Kokeesta seurasi, että jos valon taajuutta kasvatetaan, niin jatkuvalla valovirralla estojännite kasvaa ja sen seurauksena myös fotoelektronien liike-energia kasvaa. Näin ollen fotoelektronien liike-energia kasvaa lineaarisesti valon taajuuden mukaan.

kolmas laki

Korvaamalla laitteessa olevan fotokatodin materiaalin, Stoletov vahvisti valosähköisen vaikutuksen kolmannen lain: jokaiselle aineelle on valosähköisen vaikutuksen punainen raja, ts. on olemassa minimitaajuus nmin, jolla valosähköinen vaikutus on edelleen mahdollinen.

Einsteinin valosähköistä vaikutusta varten kirjoittama energian säilymislaki on väite, että elektronin hankkima fotonin energia sallii sen poistua johtimen pinnalta työtehtävän suoritettuaan. Loput energiasta realisoituu nyt vapaan elektronin kineettisen energian muodossa

Tulevan fotonin energia kuluu työtehtävää A suorittavaan elektroniin metallista ja kineettisen energian mv2max/2 välittämiseen emittoituneelle fotoelektronille. Energian säilymisen lain mukaan

(203.1)

Yhtälöä (203.1) kutsutaan Einsteinin yhtälöksi ulkoiselle valosähköiselle efektille.

Compton-efekti

Valon aallonpituuden muutos sitoutuneiden elektronien sironnan seurauksena

RUTERFORDIN KOKEILU ATOMIN PLANETAMALLI

Rutherfordin kokeet. Elektronien massa on useita tuhansia kertoja pienempi kuin atomien massa. Koska atomi kokonaisuutena on neutraali, suurin osa atomista putoaa sen positiivisesti varautuneelle osalle.

Vuonna 1906 Ernest Rutherford ehdotti atomin tutkimista -hiukkasten avulla tutkiakseen kokeellisesti positiivisen varauksen jakautumista ja siten atomin sisällä olevaa massaa. Nämä hiukkaset syntyvät radiumin ja joidenkin muiden alkuaineiden hajoamisesta. Niiden massa on noin 8000 kertaa elektronin massa ja positiivinen varaus on yhtä suuri kuin kaksinkertainen elektronin varaus. Nämä ovat vain täysin ionisoituja heliumatomeja. -hiukkasten nopeus on erittäin suuri: se on 1/15 valon nopeudesta.

Näillä hiukkasilla Rutherford pommitti raskaiden alkuaineiden atomeja. Elektronit eivät voi pienen massansa vuoksi merkittävästi muuttaa -hiukkasen liikerataa, samoin kuin useiden kymmenien grammien painoinen kivi törmäyksessä auton kanssa ei voi muuttaa merkittävästi sen nopeutta.

Atomin planeettamalli. Kokeidensa perusteella Rutherford loi planeettamallin atomista. Atomin keskellä sijaitsee positiivisesti varautunut ydin, johon lähes kaikki atomin massa on keskittynyt. Yleensä atomi on neutraali. Siksi atominsisäisten elektronien lukumäärä sekä ytimen varaus on yhtä suuri kuin elementin järjestysluku jaksollisessa järjestelmässä. On selvää, että elektronit eivät voi levätä atomin sisällä, koska ne putosivat ytimen päälle. Ne liikkuvat ytimen ympäri, aivan kuten planeetat kiertävät aurinkoa. Tämä elektronin liikkeen luonne määräytyy ytimen sivulta tulevien Coulombin vetovoimien vaikutuksesta.

valosähköinen ilmiö sen löysi vuonna 1887 saksalainen fyysikko G. Hertz, ja A. G. Stoletov tutki sitä kokeellisesti vuosina 1888-1890. Täydellisimmän tutkimuksen valosähköisen ilmiön ilmiöstä suoritti F. Lenard vuonna 1900. Siihen mennessä elektroni oli jo löydetty (1897, J. Thomson), ja kävi selväksi, että valosähköinen vaikutus (tai tarkemmin sanottuna ulkoinen valosähköinen vaikutus) koostuu elektronien vetämisestä ulos aineesta siihen putoavan valon vaikutuksesta.

Valosähköisen vaikutuksen tutkimiseen tarkoitetun kokeellisen järjestelyn asettelu on esitetty kuvassa. 5.2.1.

Kokeissa käytettiin lasista tyhjiöastiaa kahdella metallielektrodilla, jonka pinta puhdistettiin perusteellisesti. Elektrodeihin syötettiin jännite U, jonka napaisuutta voi muuttaa kaksoisavaimella. Yksi elektrodeista (katodi K) valaistiin kvartsi-ikkunan läpi monokromaattisella valolla, jolla oli tietty aallonpituus λ. Vakiovalovirralla otettiin valovirran voimakkuuden riippuvuus minä käytetystä jännitteestä. Kuvassa 5.2.2 esittää tällaisen riippuvuuden tyypillisiä käyriä, jotka on saatu katodille tulevan valovirran intensiteetin kahdelle arvolle.

Käyrät osoittavat, että riittävän korkeilla positiivisilla jännitteillä anodilla A valovirta saavuttaa kyllästymisen, koska kaikki katodista valon aiheuttamat elektronit saavuttavat anodin. Huolelliset mittaukset ovat osoittaneet, että kyllästysvirta minä n on suoraan verrannollinen tulevan valon voimakkuuteen. Kun jännite anodin yli on negatiivinen, katodin ja anodin välinen sähkökenttä hidastaa elektroneja. Anodi voi tavoittaa vain ne elektronit, joiden liike-energia ylittää | EU|. Jos anodin jännite on pienempi kuin - U h, valovirta pysähtyy. mittaamalla U h, on mahdollista määrittää fotoelektronien suurin kineettinen energia:

Tiedemiesten yllätykseksi arvo U h osoittautui riippumattomaksi tulevan valovirran intensiteetistä. Huolelliset mittaukset ovat osoittaneet, että estopotentiaali kasvaa lineaarisesti valon taajuuden ν kasvaessa (kuva 5.2.3).

Lukuisat kokeet ovat vahvistaneet seuraavat valosähköisen vaikutuksen peruslait:

1. Fotoelektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti valotaajuuden ν kasvaessa eikä riipu sen intensiteetistä.

2. Jokaiselle aineelle on ns punaisen reunan valokuvatehoste , eli pienin taajuus ν min, jolla ulkoinen valosähköilmiö on vielä mahdollinen.

3. Valon katodista 1 sekunnissa vetämien valoelektronien lukumäärä on suoraan verrannollinen valon intensiteettiin.

4. Valosähköinen vaikutus on käytännössä inertiaton, valovirta syntyy välittömästi katodivalaistuksen alkamisen jälkeen, mikäli valon taajuus ν > ν min.

Kaikki nämä valosähköisen vaikutuksen lait olivat pohjimmiltaan ristiriidassa klassisen fysiikan ajatusten kanssa valon ja aineen vuorovaikutuksesta. Aaltokäsitteiden mukaan elektronin olisi vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen valoaallon kanssa vähitellen kerättävä energiaa, ja kestäisi valon voimakkuudesta riippuen huomattavan ajan, ennen kuin elektroni kerää tarpeeksi energiaa lentääkseen katodista. . Laskelmat osoittavat, että tämä aika olisi pitänyt laskea minuuteissa tai tunneissa. Kokemus kuitenkin osoittaa, että fotoelektroneja ilmaantuu välittömästi katodin valaistuksen alkamisen jälkeen. Tässä mallissa oli myös mahdotonta ymmärtää valosähköisen vaikutuksen punaisen rajan olemassaoloa. Valon aaltoteoria ei pystynyt selittämään fotoelektronien energian riippumattomuutta valovirran intensiteetistä ja suurimman kineettisen energian suhteellisuutta valon taajuuteen.

Siten valon sähkömagneettinen teoria ei pystynyt selittämään näitä säännönmukaisuuksia.

A. Einstein löysi ulospääsyn vuonna 1905. Einstein antoi teoreettisen selityksen havaituille valosähköisen vaikutuksen laeille M. Planckin hypoteesin perusteella, jonka mukaan valo säteilee ja absorboituu tietyissä osissa ja kunkin energian. tällainen osa määritetään kaavalla E = h v, missä h on Planckin vakio. Einstein otti seuraavan askeleen kvanttikäsitteiden kehittämisessä. Hän tuli siihen tulokseen valolla on epäjatkuva (erillinen) rakenne. Sähkömagneettinen aalto koostuu erillisistä osista - kvanteista, myöhemmin nimetty fotonit. Vuorovaikutuksessa aineen kanssa fotoni siirtää kaiken energiansa hν yhteen elektroniin. Elektroni voi hajottaa osan tästä energiasta törmäyksessä aineatomien kanssa. Lisäksi osa elektronienergiasta kuluu metalli-tyhjiörajapinnan potentiaaliesteen ylittämiseen. Tätä varten elektronin on tehtävä työtehtävä A riippuen katodimateriaalin ominaisuuksista. Suurin kineettinen energia, joka katodista emittoidulla fotoelektronilla voi olla, määräytyy energian säilymislain mukaan:

Tätä kaavaa kutsutaan Einsteinin yhtälö valosähköiselle efektille .

Einsteinin yhtälön avulla voidaan selittää kaikki ulkoisen valosähköisen vaikutuksen säännönmukaisuudet. Einsteinin yhtälöstä seuraa suurimman kineettisen energian lineaarinen riippuvuus taajuudesta ja riippumattomuus valon intensiteetistä, punaisen rajan olemassaolo ja valosähköisen vaikutuksen inertia. Katodin pinnalta 1 sekunnissa poistuvien fotoelektronien kokonaismäärän tulee olla verrannollinen pinnalle samanaikaisesti putoavien fotonien lukumäärään. Tästä seuraa, että kyllästysvirran on oltava suoraan verrannollinen valovirran intensiteettiin.

Kuten Einsteinin yhtälöstä seuraa, suoran kaltevuus, joka ilmaisee estopotentiaalin riippuvuuden U h taajuudesta ν (kuva 5.2.3), on yhtä suuri kuin Planckin vakion suhde h elektronin varaukseen e:

Tämä mahdollistaa Planckin vakion arvon kokeellisen määrittämisen. Tällaiset mittaukset teki R. Millikan vuonna 1914 ja ne sopivat hyvin Planckin löytämän arvon kanssa. Nämä mittaukset mahdollistivat myös työfunktion määrittämisen A:

missä c- valon nopeus, λ cr - valosähköisen vaikutuksen punaista rajaa vastaava aallonpituus. Useimmille metalleille työtoiminto A on muutama elektronivoltti (1 eV = 1,602 10 -19 J). Kvanttifysiikassa elektronivolttia käytetään usein energian yksikkönä. Planckin vakion arvo, joka ilmaistaan ​​elektronivolteina sekunnissa, on

Metalleista alkalisilla alkuaineilla on alhaisin toimintakyky. Esimerkiksi natriumia A= 1,9 eV, mikä vastaa valosähköisen efektin punaista rajaa λcr ≈ 680 nm. Siksi alkalimetalliyhdisteitä käytetään katodien luomiseen valokennot suunniteltu havaitsemaan näkyvää valoa.

Joten valosähköisen vaikutuksen lait osoittavat, että valo käyttäytyy säteillään ja absorboituessaan hiukkasvirran ns. fotonit tai valokvantit .

Fotonienergia on

tästä seuraa, että fotonilla on liikemäärä

Siten valooppi, saatuaan päätökseen kaksi vuosisataa kestäneen vallankumouksen, palasi jälleen ajatuksiin valohiukkasista - verisoluista.

Mutta tämä ei ollut mekaaninen paluu Newtonin korpuskulaariseen teoriaan. 1900-luvun alussa kävi selväksi, että valolla on kaksinainen luonne. Kun valo etenee, sen aalto-ominaisuudet ilmaantuvat (häiriö, diffraktio, polarisaatio), ja vuorovaikutuksessa aineen kanssa korpuskulaarisia (valosähköinen vaikutus). Tätä valon kaksoisluonnetta kutsutaan aalto-hiukkanen kaksinaisuus josta Lomonosov puhui. Myöhemmin kaksinaisuus löydettiin elektroneista ja muista alkeishiukkasista. Klassinen fysiikka ei voi antaa visuaalista mallia mikroobjektien aalto- ja korpuskulaaristen ominaisuuksien yhdistelmästä. Mikroobjektien liikettä ohjaavat eivät klassisen newtonilaisen mekaniikan, vaan kvanttimekaniikan lait. M. Planckin kehittämä mustan kappaleen säteilyteoria ja Einsteinin kvanttiteoria valosähköisestä vaikutuksesta ovat tämän modernin tieteen taustalla.

Hän esitti hypoteesin: valo säteilee ja absorboi erilliset osat - kvantit (tai fotonit). Kunkin fotonin energia määräytyy kaavan mukaan E= h ν , missä h- Planckin vakio, yhtä kuin 6,63. 10-34 J. s, ν on valon taajuus. Planckin hypoteesi selitti monia ilmiöitä: erityisesti valosähköilmiön ilmiön, jonka saksalainen tiedemies Heinrich Hertz löysi vuonna 1887 ja jota venäläinen tiedemies A. G. Stoletov tutki kokeellisesti.

valosähköinen ilmiö — Tämä on ilmiö, jossa aine lähettää elektroneja valon vaikutuksesta.

Tutkimuksen tuloksena saatiin kolme valosähköisen vaikutuksen lakia:

1. Kyllästysvirran voimakkuus on suoraan verrannollinen kehon pinnalle tulevan valon säteilyn voimakkuuteen.

2. Valoelektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti valon taajuuden mukaan eikä riipu sen voimakkuudesta.

3. Jos valon taajuus on pienempi kuin tietylle aineelle määritetty vähimmäistaajuus, valosähköistä vaikutusta ei tapahdu.

Valovirran riippuvuus jännitteestä on esitetty kuvassa 36.

Valosähköisen vaikutuksen teorian loi saksalainen tiedemies A. Einstein vuonna 1905. Einsteinin teoria perustuu käsitteeseen elektronien työfunktiosta metallista ja kvanttivaloemission käsitteeseen. Einsteinin teorian mukaan valosähköisellä vaikutuksella on seuraava selitys: absorboimalla valokvantin elektroni hankkii energiaa hv. Kun poistutaan metallista, kunkin elektronin energia pienenee tietyn määrän, jota kutsutaan työtoiminto(A ulos). Työfunktio on työtä, joka tarvitaan elektronin poistamiseen metallista. Elektronien maksimienergia lähdön jälkeen (jos muita häviöitä ei ole) on: mv 2/2 \u003d hv - A ulos, Tätä yhtälöä kutsutaan Einsteinin yhtälöksi .

Jos hν< Ja sitten valosähköistä vaikutusta ei tapahdu. tarkoittaa, punaisen reunan valokuvatehoste on yhtä suuri kuin ν min = A out / h

Laitteita, joiden toimintaperiaate on valosähköinen ilmiö, kutsutaan valokuvaelementtejä. Yksinkertaisin tällainen laite on tyhjiövalokenno. Tällaisen valokennon haitat ovat: alhainen virta, alhainen herkkyys pitkäaaltosäteilylle, valmistusvaikeudet, mahdottomuus käyttää vaihtovirtapiireissä. Sitä käytetään fotometriassa valon voimakkuuden, kirkkauden, valaistuksen mittaamiseen, elokuvassa äänen toistoon, valosähkeissä ja valopuhelimissa tuotantoprosessien hallinnassa.

On olemassa puolijohdevalokennoja, joissa valon vaikutuksesta virrankuljettajien pitoisuus muuttuu. Niitä käytetään sähköpiirien automaattisessa ohjauksessa (esim. metron kääntöporteissa), vaihtovirtapiireissä, uusiutumattomina virtalähteinä. kelloissa, mikrolaskimissa testataan ensimmäisiä aurinkoautoja, niitä käytetään aurinkoparistoissa keinotekoisissa Maan satelliiteissa, planeettojenvälisissä ja kiertoradan automaattiasemissa.

Valosähköisen vaikutuksen ilmiö liittyy valokemiallisiin prosesseihin, jotka tapahtuvat valon vaikutuksesta valokuvamateriaaleissa.

1. Valosähköisen ilmiön löytämisen historia

2. Stoletovin lait

3. Einsteinin yhtälö

4. Sisäinen valosähköinen vaikutus

5. Valosähköisen ilmiön soveltaminen

Johdanto

Lukuisia optisia ilmiöitä on johdonmukaisesti selitetty valon aaltoluonteesta käsiteltävien käsitysten perusteella. Kuitenkin 1800-luvun lopulla - 1900-luvun alussa. Havaittiin ja tutkittiin ilmiöitä, kuten valosähköilmiö, röntgensäteet, Compton-ilmiö, atomien ja molekyylien säteily, lämpösäteily ja muut, joiden selittäminen aallon näkökulmasta osoittautui mahdottomaksi. Selitys uusille kokeellisille faktoille saatiin valon luonteesta saatujen korpuskulaaristen käsitysten perusteella. On syntynyt paradoksaalinen tilanne, joka liittyy täysin vastakkaisten aallon ja hiukkasen fyysisten mallien käyttöön optisten ilmiöiden selittämiseen. Joissakin ilmiöissä valo osoitti aalto-ominaisuuksia, toisissa - korpuskulaarisia.

Erilaisten ilmiöiden joukossa, joissa valon vaikutus aineeseen ilmenee, tärkeä paikka on valosähköinen ilmiö, eli aineen elektronien emission valon vaikutuksesta. Tämän ilmiön analyysi johti ajatukseen valokvanteista ja sillä oli erittäin tärkeä rooli nykyaikaisten teoreettisten käsitteiden kehittämisessä. Samalla valosähköistä efektiä hyödynnetään valokennoissa, jotka ovat saaneet poikkeuksellisen laajan sovelluksen tieteen ja teknologian monilla aloilla ja lupaavat entistä rikkaampia näkymiä.

Valosähköisen efektin löytämisen historia

Valosähköisen vaikutuksen löytö pitäisi lukea vuodelta 1887, jolloin Hertz havaitsi, että kipinävälielektrodien valaiseminen jännitteen alaisena ultraviolettivalolla helpottaa niiden välistä kipinää.

Hertzin löytämä ilmiö voidaan havaita seuraavassa helposti toteutettavissa olevassa kokeessa (kuva 1).

Kipinävälin F arvo valitaan siten, että muuntajasta T ja kondensaattorista C muodostuvassa piirissä kipinä hyppää vaikeasti (kerran tai kahdesti minuutissa). Jos puhtaasta sinkistä valmistetut elektrodit F valaistaan ​​Hg-elohopealampun valolla, kondensaattorin purkautuminen helpottuu huomattavasti: kipinä alkaa hypätä. 1. Hertzin kokeen kaavio.

Albert Einstein (josta hän sai Nobel-palkinnon vuonna 1921) selitti valosähköisen vaikutuksen vuonna 1905 Max Planckin hypoteesin valon kvanttiluonteesta perusteella. Einsteinin työ sisälsi tärkeän uuden hypoteesin - jos Planck ehdotti, että valo säteilee vain kvantisoiduissa osissa, niin Einstein uskoi jo valon olevan olemassa vain kvanttiosien muodossa. Valon käsitteestä hiukkasina (fotoneina) seuraa välittömästi Einsteinin kaava valosähköisestä vaikutuksesta:

missä on emittoidun elektronin liike-energia, on tietyn aineen työfunktio, on tulevan valon taajuus, on Planckin vakio, joka osoittautui täsmälleen samaksi kuin Planckin mustan kappaleen säteilyn kaavassa.

Tästä kaavasta seuraa valosähköisen vaikutuksen punaisen rajan olemassaolo. Näin ollen valosähköistä vaikutusta koskevat tutkimukset olivat ensimmäisiä kvanttimekaanisia tutkimuksia.

Stoletovin lait

Ensimmäistä kertaa (1888–1890), analysoiden yksityiskohtaisesti valosähköilmiön ilmiötä, venäläinen fyysikko A.G. Stoletov saavutti pohjimmiltaan tärkeitä tuloksia. Toisin kuin aiemmat tutkijat, hän otti pienen potentiaalieron elektrodien välillä. Stoletovin kokeen kaavio on esitetty kuvassa. 2.

Kaksi elektrodia (toinen ristikon muodossa, toinen litteä), jotka sijaitsevat tyhjiössä, on kiinnitetty akkuun. Piiriin kuuluvaa ampeerimittaria käytetään tuloksena olevan virran voimakkuuden mittaamiseen. Säteilyttämällä katodia eri aallonpituuksilla olevalla valolla Stoletov tuli siihen tulokseen, että ultraviolettisäteillä on tehokkain vaikutus. Lisäksi havaittiin, että valon vaikutuksesta tuotetun virran voimakkuus on suoraan verrannollinen sen voimakkuuteen.

Vuonna 1898 Lenard ja Thomson määrittelivät sähkö- ja magneettikentissä sähkö- ja magneettikenttien varauksen poikkeutusmenetelmällä ulos purkautuneiden varautuneiden hiukkasten ominaisvarauksen. 2. Stoletovin kokeen kaavio.

valoa katodista ja sai ilmeen

SGSE yksikkö s/g, joka osuu yhteen elektronin tunnetun ominaisvarauksen kanssa. Tästä seurasi, että valon vaikutuksesta elektroneja irtoaa katodin materiaalista.

Yhteenvetona saaduista tuloksista seuraava kuviot valosähköinen ilmiö:

1. Kun valon spektrikoostumus on vakio, kyllästysvalovirran voimakkuus on suoraan verrannollinen katodille tulevaan valovirtaan.

2. Valon lähettämien elektronien kineettinen alkuenergia kasvaa lineaarisesti valon taajuuden kanssa eikä riipu sen intensiteetistä.

3. Valosähköistä vaikutusta ei tapahdu, jos valon taajuus on pienempi kuin kullekin metallille ominaista tietty arvo, jota kutsutaan punaiseksi reunaksi.

Valosähköisen efektin ensimmäinen kuvio, samoin kuin itse valosähköisen efektin esiintyminen, voidaan helposti selittää klassisen fysiikan lakien perusteella. Itse asiassa valokenttä, joka vaikuttaa metallin sisällä oleviin elektroneihin, kiihottaa niiden värähtelyjä. Pakotetun värähtelyn amplitudi voi saavuttaa sellaisen arvon, jossa elektronit poistuvat metallista; sitten havaitaan valosähköinen vaikutus.

Ottaen huomioon, että klassisen teorian mukaan valon intensiteetti on suoraan verrannollinen sähkövektorin neliöön, irtautuneiden elektronien määrä kasvaa valon intensiteetin kasvaessa.

Klassisen fysiikan lait eivät selitä valosähköisen vaikutuksen toista ja kolmatta lakia.

Tutkitaan valovirran (kuva 3), joka syntyy, kun metallia säteilytetään monokromaattisella valovirralla, riippuvuutta elektrodien välisestä potentiaalierosta (tällaista riippuvuutta kutsutaan yleensä valovirran voltti-ampeeriominaispiirteeksi), havaittiin, että: 1) valovirta ei tapahdu vain , vaan myös ; 2) valovirta eroaa nollasta tietylle metallille tiukasti määritellyn potentiaalieron negatiiviseen arvoon, ns. hidastuspotentiaaliin; 3) esto- (viive)potentiaalin suuruus ei riipu tulevan valon intensiteetistä; 4) valovirta kasvaa hidastuspotentiaalin itseisarvon pienentyessä; 5) valovirran arvo kasvaa kasvun myötä ja tietystä arvosta valovirta (ns. kyllästysvirta) muuttuu vakioksi; 6) kyllästysvirran arvo kasvaa tulevan valon intensiteetin kasvaessa; 7) viiveen arvo 3. Ominaisuus

potentiaali riippuu tulevan valon taajuudesta; valovirta.

8) Valon vaikutuksesta irtautuneiden elektronien nopeus ei riipu valon voimakkuudesta, vaan riippuu vain sen taajuudesta.

Einsteinin yhtälö

Valosähköisen vaikutuksen ilmiö ja kaikki sen lait on selitetty hyvin valon kvanttiteorialla, joka vahvistaa valon kvanttiluonteen.

Kuten jo todettiin, Einstein (1905) Planckin kvanttiteoriaa kehittäessään esitti ajatuksen, että säteilyn ja absorption lisäksi myös valon eteneminen tapahtuu osissa (kvanteissa), joiden energia ja liikemäärä ovat:

missä on aaltovektoria pitkin suunnattu yksikkövektori. Soveltamalla energian säilymisen lakia metallien valosähköiseen ilmiöön Einstein ehdotti seuraavaa kaavaa:

, (1)

missä on elektronin työfunktio metallista, on fotoelektronin nopeus. Einsteinin mukaan jokainen kvantti absorboituu vain yhteen elektroniin, ja osa tulevan fotonin energiasta kuluu metallielektronin työfunktioon, kun taas loppuosa välittää kineettistä energiaa elektronille.

Kuten kohdasta (1) seuraa, valosähköinen vaikutus metalleissa voi tapahtua vain klo , muuten fotonienergia ei riitä poistamaan elektronia metallista. Pienin valon taajuus, jonka vaikutuksesta valosähköinen vaikutus tapahtuu, määräytyy ilmeisesti tilasta

Ehdon (2) määräämää valotaajuutta kutsutaan valosähköisen vaikutuksen "punaiseksi rajaksi". Sanalla "punainen" ei ole mitään tekemistä sen valon värin kanssa, jossa valosähköinen vaikutus tapahtuu. Metallin tyypistä riippuen valosähköisen vaikutuksen "punainen reuna" voi vastata punaista, keltaista, violettia, ultraviolettivaloa jne.

Einsteinin kaavan avulla voidaan selittää myös muita valosähköisen vaikutuksen säännönmukaisuuksia.

Oletetaan, että anodin ja katodin välillä on hidastuspotentiaali. Jos elektronien kineettinen energia on riittävä, ne, voitettuaan hidastuvan kentän, luovat valovirran. Valovirta sisältää ne elektronit, joiden ehto täyttyy . Hidastuspotentiaalin arvo määräytyy ehdosta

, (3)

missä on sinkoutuneiden elektronien suurin nopeus. Riisi. neljä.

Korvaamalla (3) luvulla (1), saamme

Näin ollen hidastuspotentiaalin suuruus ei riipu intensiteetistä, vaan riippuu vain tulevan valon taajuudesta.

Metallin elektronien työfunktio ja Planckin vakio voidaan määrittää piirtämällä riippuvuus tulevan valon taajuudesta (kuva 4). Kuten näet, potentiaaliakselista leikattu segmentti antaa .

Ottaen huomioon sen tosiasian, että valon intensiteetti on suoraan verrannollinen fotonien lukumäärään, tulevan valon intensiteetin kasvu johtaa ulostyöntyneiden elektronien lukumäärän kasvuun, ts. valovirran kasvuun.

Einsteinin kaavalla ei-metallien valosähköisestä vaikutuksesta on muoto

.

Läsnäolo - sitoutuneen elektronin erottaminen atomista ei-metallien sisällä - selittyy sillä, että toisin kuin metallit, joissa on vapaita elektroneja, ei-metalleissa elektronit ovat atomeihin sitoutuneessa tilassa. On selvää, että kun valo putoaa ei-metallien päälle, osa valoenergiasta kuluu atomin valosähköiseen vaikutukseen - elektronin erottamiseen atomista, ja loput kuluu elektronin työtoimintoon ja kineettiikan välittämiseen. energiaa elektronille.

Johtoelektroneja ei spontaanisti poistu metallista huomattavassa määrin. Tämä selittyy sillä, että metalli edustaa heille potentiaalia. On mahdollista jättää metalli vain niille elektroneille, joiden energia riittää voittamaan pinnalla olevan potentiaaliesteen. Tämän esteen aiheuttavilla voimilla on seuraava alkuperä. Elektronin vahingossa poistuminen hilan positiivisten ionien ulkokerroksesta johtaa ylimääräisen positiivisen varauksen ilmaantumiseen kohtaan, josta elektroni lähti. Coulombin vuorovaikutus tämän varauksen kanssa saa elektronin, jonka nopeus ei ole kovin suuri, palaamaan takaisin. Siten yksittäiset elektronit poistuvat metallipinnalta koko ajan, siirtyvät pois siitä useiden atomien välisten etäisyyksien verran ja kääntyvät sitten takaisin. Tämän seurauksena metallia ympäröi ohut elektronipilvi. Tämä pilvi muodostaa yhdessä ulomman ionikerroksen kanssa kaksinkertaisen sähkökerroksen (kuva 5; ympyrät - ionit, mustat pisteet - elektronit). Tällaisessa kerroksessa olevaan elektroniin vaikuttavat voimat suunnataan metallin sisään. Näitä voimia vastaan ​​tehtävä työ elektronin siirtyessä metallista ulkopuolelle lisää elektronin potentiaalienergiaa (kuva 5).

Siten metallin sisällä olevien valenssielektronien potentiaalienergia on pienempi kuin metallin ulkopuolella potentiaalikuopan syvyyttä vastaavan määrän (kuva 6). Energian muutos tapahtuu usean atomien välisen etäisyyden pituudelta, joten kaivon seinämiä voidaan pitää pystysuorana.

Elektronin potentiaalienergia Kuva. 6.

ja sen pisteen potentiaalilla, jossa elektroni sijaitsee, on päinvastaiset merkit. Tästä seuraa, että metallin sisällä oleva potentiaali on suurempi kuin potentiaali sen pinnan välittömässä läheisyydessä.

Ylimääräisen positiivisen varauksen antaminen metallille lisää potentiaalia sekä pinnalla että metallin sisällä. Elektronin potentiaalienergia pienenee vastaavasti (kuva 7, a).

Potentiaali- ja potentiaalienergian arvot äärettömässä otetaan vertailupisteeksi. Negatiivinen varaus alentaa potentiaalia metallin sisällä ja ulkopuolella. Vastaavasti elektronin potentiaalienergia kasvaa (kuva 7, b).

Metallin elektronin kokonaisenergia on potentiaali- ja kineettisten energioiden summa. Absoluuttisessa nollassa johtumiselektronien kineettisen energian arvot vaihtelevat nollasta Fermin tason kanssa samaan energiaan. Kuvassa Kuvassa 8 johtavuuskaistan energiatasot on merkitty potentiaalikuoppaan (katkoviivat osoittavat tasoja, jotka eivät ole käytössä 0K:ssa). Liikkuakseen pois metallista eri elektroneille on annettava eri energiat. Joten johtavuuskaistan alimmalla tasolla sijaitsevalle elektronille on annettava energiaa; Fermi-tason elektronille energia riittää .

Pienin energia, joka on välitettävä elektronille, jotta se voidaan poistaa kiinteästä tai nestemäisestä kappaleesta tyhjiöön, on ns. poistua työstä. Elektronin työfunktio metallista määräytyy lausekkeen avulla

Olemme saaneet tämän lausekkeen olettaen, että metallin lämpötila on 0K. Muissa lämpötiloissa työfunktio määritellään myös potentiaalikaivon syvyyden ja Fermi-tason väliseksi eroksi, eli määritelmä (4) laajenee mihin tahansa lämpötilaan. Sama määritelmä pätee puolijohteisiin.

Fermi-taso riippuu lämpötilasta. Lisäksi lämpölaajenemisen aiheuttaman keskimääräisten atomien välisten etäisyyksien muutoksen vuoksi potentiaalikaivon syvyys muuttuu hieman. Tämä johtaa siihen, että työtoiminto on hieman lämpötilariippuvainen.

Työtoiminto on erittäin herkkä metallipinnan tilaan, erityisesti sen puhtauteen. Kun olet valinnut oikein Kuva. kahdeksan.

pintapinnoite, työtoimintoa voidaan vähentää huomattavasti. Joten esimerkiksi maa-alkalimetallin (Ca, Sr, Ba) oksidikerroksen kerrostaminen volframin pinnalle alentaa työfunktiota 4,5 eV:sta (puhtaalle W:lle) 1,5 - 2 eV:iin.

Sisäinen valosähköinen efekti

Yllä puhuimme elektronien vapautumisesta aineen valaistulta pinnalta ja niiden siirtymisestä toiseen väliaineeseen, erityisesti tyhjiöön. Tätä elektronien emissiota kutsutaan valoelektroninen emissio, mutta itse ilmiö ulkoinen valosähköinen efekti. Sen lisäksi tunnetaan ja käytetään laajasti käytännön tarkoituksiin myös ns sisäinen valosähköinen efekti, jossa, toisin kuin ulkoisessa, optisesti viritetyt elektronit pysyvät valaistun kappaleen sisällä rikkomatta jälkimmäisen neutraalisuutta. Tällöin varauksenkuljettajien pitoisuus tai niiden liikkuvuus muuttuu aineessa, mikä johtaa aineen sähköisten ominaisuuksien muutokseen siihen osuvan valon vaikutuksesta. Sisäinen valosähköinen vaikutus on ominaista vain puolijohteisiin ja dielektrikoihin. Se voidaan havaita erityisesti homogeenisten puolijohteiden johtavuuden muutoksesta, kun niitä valaistaan. Tämän ilmiön perusteella valonjohtavuus suuri joukko valovastaanottimia on luotu ja sitä parannetaan jatkuvasti - valovastukset. Ne käyttävät pääasiassa selenidia ja kadmiumsulfidia.

Epähomogeenisissa puolijohteissa havaitaan johtavuuden muutoksen ohella myös potentiaalieron muodostumista (kuva - emf). Tämä ilmiö (valosähköefekti) johtuu siitä, että puolijohteiden johtavuuden homogeenisuuden vuoksi optisesti virittyneiden elektronien, jotka kuljettavat negatiivista varausta, ja syntyvien mikrovyöhykkeiden (aukkojen) tilavuuden sisällä on spatiaalinen erottelu. niiden atomien välittömässä läheisyydessä, joista elektronit on revitty irti, ja kuten kantajahiukkasten positiivinen alkuainevaraus. Elektronit ja reiät keskittyvät puolijohteen eri päihin, minkä seurauksena syntyy sähkömotorinen voima, jonka vuoksi se syntyy ilman ulkoisen emf:n käyttöä. sähkövirta kuormassa, joka on kytketty rinnan valaistun puolijohteen kanssa. Tällä tavalla saavutetaan valoenergian suora muunnos sähköenergiaksi. Tästä syystä aurinkosähkövalovastaanottimia ei käytetä vain valosignaalien rekisteröintiin, vaan myös sähköpiireissä sähköenergian lähteinä.

Tällaisten vastaanottimien pääasialliset teolliset tyypit toimivat seleenin ja hopeasulfidin pohjalta. Pii, germanium ja monet yhdisteet - GaAs, InSb, CdTe ja muut ovat myös hyvin yleisiä. Aurinkoenergian muuntamiseen sähköenergiaksi käytettäviä aurinkokennoja on käytetty erityisen laajalti avaruustutkimuksessa laivojen virtalähteinä. Niillä on suhteellisen korkea hyötysuhde (jopa 20 %) ja ne ovat erittäin käteviä autonomiseen avaruusaluksen lentoon. Nykyaikaisissa aurinkokennoissa puolijohdemateriaalista riippuen valokuva - emf. saavuttaa 1 - 2 V, virran poisto - useista kymmenistä milliampeereista, ja 1 kg massaa kohden lähtöteho saavuttaa satoja watteja.