ההיסטוריה של גילוי האפקט הפוטואלקטרי. אפקט פוטואלקטרי. סוגי אפקט פוטו-אלקטרי. חוקי סטולטוב. משוואת איינשטיין לאפקט פוטו-אלקטרי חיצוני

בשנת 1887 גילה היינריך רודולף הרץ תופעה שנקראה מאוחר יותר האפקט הפוטואלקטרי. הוא סיכם את זה כך:

אם האור של מנורת כספית מופנה למתכת נתרן, אז אלקטרונים יעופו החוצה מפני השטח שלה.

הניסוח המודרני של האפקט הפוטואלקטרי שונה:

כאשר כמות האור נופלת על חומר וכאשר הן נספגות לאחר מכן בחומר, ישתחררו חלקיקים טעונים באופן חלקי או מלא.

במילים אחרות, כאשר פוטוני אור נספגים, נצפים הדברים הבאים:

1. פליטת אלקטרונים מחומר
2. שינוי מוליכות חשמלית של חומר
3. התרחשות של photo-EMF בממשק של מדיה עם מוליכות שונה (לדוגמה, מתכת-מוליך למחצה)

נכון לעכשיו, ישנם שלושה סוגים של אפקט פוטואלקטרי:

1. אפקט פוטו-אלקטרי פנימי. זה מורכב משינוי המוליכות של מוליכים למחצה. הוא משמש בפוטו-נגדים, המשמשים במדדי רנטגן ואולטרה סגול, ומשמש גם במכשירים רפואיים (אוקסימטר) ובאזעקות אש.
2. אפקט פוטואלקטרי של שסתום. זה מורכב מהתרחשות של photo-EMF בגבול של חומרים עם סוגים שונים של מוליכות, כתוצאה מהפרדה של נושאי מטען חשמלי על ידי שדה חשמלי. הוא משמש בפאנלים סולאריים, תאי פוטו סלניום וחיישני אור.
3. אפקט פוטו-אלקטרי חיצוני. כפי שהוזכר קודם לכן, זהו תהליך הבריחה של אלקטרונים מהחומר אל הריק בפעולת קוונטות קרינה אלקטרומגנטית.

חוקי האפקט הפוטואלקטרי החיצוני.

הם הותקנו על ידי פיליפ לנארד ואלכסנדר גריגוריביץ' סטולטוב בתחילת המאה ה-20. מדענים אלה מדדו את מספר האלקטרונים שנפלטו ואת מהירותם בהתאם לעוצמת ותדירות הקרינה האספקה.

חוק ראשון (חוק סטולטוב):

עוצמת זרם הצילום הרוויה עומדת ביחס ישר לשטף האור, כלומר. קרינה פוגעת בחומר.

ניסוח תיאורטי:כאשר המתח בין האלקטרודות שווה לאפס, זרם הפוטו אינו שווה לאפס. זאת בשל העובדה שלאחר עזיבת המתכת, לאלקטרונים יש אנרגיה קינטית. בנוכחות מתח בין האנודה לקתודה, חוזק הפוטו-זרם גדל עם עליית המתח, ובערך מתח מסוים, הזרם מגיע לערך המקסימלי שלו (פוטו-רוויה). המשמעות היא שכל האלקטרונים הנפלטים כל שנייה מהקתודה בהשפעת קרינה אלקטרומגנטית לוקחים חלק ביצירת הזרם. כאשר הקוטביות מתהפכת, הזרם יורד ועד מהרה הופך לאפס. כאן האלקטרון אכן פועל נגד השדה המעכב על חשבון האנרגיה הקינטית. עם עלייה בעוצמת הקרינה (עלייה במספר הפוטונים), עולה מספר קוונטות האנרגיה הנספגות במתכת, ומכאן מספר האלקטרונים הנפלטים. המשמעות היא שככל ששטף האור גדול יותר, כך זרם הצילום הרוויה גדול יותר.

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

k - מקדם מידתיות. הרגישות תלויה באופי המתכת. הרגישות של מתכת לאפקט הפוטואלקטרי עולה עם הגדלת תדר האור (עם ירידה באורך הגל).

נוסח זה של החוק הוא טכני. זה תקף עבור מכשירים פוטו-וולטאיים ואקום.

מספר האלקטרונים הנפלטים עומד ביחס ישר לצפיפות השטף המתרחש בהרכב הספקטרלי הקבוע שלו.

חוק שני (חוק איינשטיין):

האנרגיה הקינטית הראשונית המקסימלית של פוטואלקטרון היא פרופורציונלית לתדירות שטף הקרינה הנכנס ואינה תלויה בעוצמתו.

E kē = => ~ hυ

החוק השלישי (חוק "הגבול האדום"):

לכל חומר יש תדר מינימלי או אורך גל מקסימלי, שמעבר להם נעדר האפקט הפוטואלקטרי.

תדר זה (אורך גל) נקרא "הגבול האדום" של האפקט הפוטואלקטרי.

לפיכך, הוא קובע את התנאים להשפעה הפוטואלקטרית של חומר נתון, בהתאם לתפקוד העבודה של אלקטרון מהחומר ובהתאם לאנרגיה של הפוטונים הנכנסים.

אם האנרגיה של פוטון קטנה מתפקוד העבודה של אלקטרון מחומר, אז אין אפקט פוטו-אלקטרי. אם אנרגיית הפוטון עולה על פונקציית העבודה, אזי העודף שלה לאחר קליטת הפוטון עובר לאנרגיה הקינטית הראשונית של הפוטואלקטרון.

יישום זה כדי להסביר את חוקי האפקט הפוטואלקטרי.

המשוואה של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי היא מקרה מיוחד של חוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה. הוא ביסס את התיאוריה שלו על חוקי הפיזיקה הקוונטית שעדיין מתהווה.

איינשטיין ניסח שלוש הצעות:

1. כאשר נחשפים לחומר עם אלקטרונים, פוטונים תקפים נספגים לחלוטין.
2. פוטון אחד מקיים אינטראקציה עם אלקטרון אחד בלבד.
3. פוטון אחד שנספג תורם לשחרור פוטואלקטרון אחד בלבד עם קצת E kē.

האנרגיה של פוטון מושקעת על פונקציית העבודה (A out) של האלקטרון מהחומר ועל האנרגיה הקינטית הראשונית שלו, שתהיה מקסימלית אם האלקטרון יעזוב את פני החומר.

E kē \u003d hυ - א החוצה

ככל שתדירות הקרינה הנכנסת גדולה יותר, כך אנרגיית הפוטונים גדולה יותר ונשארת יותר (מינוס פונקציית העבודה) לאנרגיה הקינטית הראשונית של פוטו-אלקטרונים.

ככל שהקרינה הנכנסת חזקה יותר, כך יכנסו יותר פוטונים לשטף האור ויותר אלקטרונים יוכלו לעזוב את החומר ולהשתתף ביצירת זרם הפוטו. זו הסיבה שעוצמתו של זרם הצילום הרוויה פרופורציונלית לשטף האור (I f us ~ F). עם זאת, האנרגיה הקינטית הראשונית אינה תלויה בעוצמה, מכיוון אלקטרון אחד סופג את האנרגיה של פוטון אחד בלבד.

האפקט הפוטואלקטרי הוא תופעה של שליפת אור האלקטרונים מהמתכת (חיצונית)

אפקט פוטו-אלקטרי הוא פליטת אלקטרונים על ידי חומר תחת פעולת האור (או כל קרינה אלקטרומגנטית אחרת). בחומרים מעובים (מוצקים ונוזליים), מבחינים בהשפעות פוטו-אלקטריות חיצוניות ופנימיות.

האפקט הפוטואלקטרי החיצוני (פליטת פוטואלקטרון) הוא פליטת אלקטרונים על ידי חומר תחת פעולת קרינה אלקטרומגנטית. אלקטרונים הבורחים מחומר במהלך אפקט פוטו-אלקטרי חיצוני נקראים פוטו-אלקטרונים, והזרם החשמלי שנוצר על ידם במהלך תנועה מסודרת בשדה חשמלי חיצוני נקרא פוטו-זרם.

האפקט הפוטואלקטרי הפנימי הוא חלוקה מחדש של אלקטרונים על פני מצבי אנרגיה במוליכים למחצה מוצקים ונוזליים ובדיאלקטריים, המתרחשת בהשפעת קרינה. זה מתבטא בשינוי בריכוז נושאי המטען בתווך ומוביל להופעת פוטו-מוליכות או לאפקט הפוטואלקטרי של השסתום.

מוליכות פוטו היא עלייה במוליכות החשמלית של חומר בהשפעת קרינה.

האפקט הפוטואלקטרי של השסתום הוא מעין אפקט פוטואלקטרי פנימי - זוהי התרחשות של EMF (צילום EMF) בעת הארת המגע של שני מוליכים למחצה שונים או מוליך למחצה ומתכת (בהיעדר שדה חשמלי חיצוני). האפקט הפוטואלקטרי של השסתום פותח את הדרך להמרה ישירה של אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית.

האפקט הפוטואלקטרי הרב-פוטוני אפשרי אם עוצמת האור גבוהה מאוד (לדוגמה, בעת שימוש בקרני לייזר). במקרה זה, אלקטרון הנפלט על ידי מתכת יכול לקבל בו זמנית אנרגיה לא מאחד, אלא מכמה פוטונים.

חוקי סטולטוב

חוק ראשון
בחקירת התלות של עוצמת הזרם בבלון במתח בין האלקטרודות עם שטף אור קבוע לאחת מהן, הוא קבע את החוק הראשון של האפקט הפוטואלקטרי.

זרם הצילום של הרוויה הוא פרופורציונלי לשטף האור הנכנס על המתכת.

כי עוצמת הזרם נקבעת על ידי גודל המטען, ושטף האור נקבע על ידי האנרגיה של קרן האור, אז נוכל לומר:

מספר האלקטרונים שנפלטו מחומר תוך 1 שניות הוא פרופורציונלי לעוצמת האור הנופל על חומר זה.

חוק שני

בשינוי תנאי התאורה באותו מיתקן, גילה A.G. Stoletov את החוק השני של האפקט הפוטואלקטרי: האנרגיה הקינטית של פוטואלקטרונים אינה תלויה בעוצמת האור הנוצר, אלא תלויה בתדירותו.

מהניסוי עלה שאם תדירות האור מוגברת, אז עם שטף אור קבוע, מתח החסימה עולה, וכתוצאה מכך, גם האנרגיה הקינטית של פוטואלקטרונים עולה. לפיכך, האנרגיה הקינטית של פוטואלקטרונים עולה באופן ליניארי עם תדירות האור.

החוק השלישי

בהחלפת החומר של הפוטוקתודה במכשיר, קבע סטולטוב את החוק השלישי של האפקט הפוטואלקטרי: לכל חומר יש גבול אדום של האפקט הפוטואלקטרי, כלומר. יש תדר מינימלי nmin שבו האפקט הפוטואלקטרי עדיין אפשרי.

חוק שימור האנרגיה, שנכתב על ידי איינשטיין עבור האפקט הפוטואלקטרי, הוא האמירה שאנרגיה של פוטון שנרכש על ידי אלקטרון מאפשרת לו לעזוב את פני המוליך, לאחר שעשה את פונקציית העבודה. שאר האנרגיה מתממשת בצורה של האנרגיה הקינטית של האלקטרון החופשי כעת

האנרגיה של הפוטון הנכנס מתבזבזת על האלקטרון המבצע את פונקציית העבודה A מהמתכת ועל העברת האנרגיה הקינטית mv2max/2 לפוטואלקטרון הנפלט. על פי חוק שימור האנרגיה,

(203.1)

משוואה (203.1) נקראת משוואת איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי החיצוני.

אפקט קומפטון

שינוי באורך הגל של האור בעת פיזור על ידי אלקטרונים קשורים

ניסויים של RUTERFORD דגם פלנטרי של האטום

הניסויים של רתרפורד. מסת האלקטרונים קטנה פי כמה אלפי ממסת האטומים. מכיוון שהאטום בכללותו הוא ניטרלי, לכן, עיקר האטום נופל על החלק הטעון חיובי שלו.

בשנת 1906, ארנסט רתרפורד הציע להשתמש בחיטוט של האטום בעזרת חלקיקי - כדי לחקור ניסיוני את התפלגות המטען החיובי, ומכאן את המסה בתוך האטום. חלקיקים אלה נובעים מהתפרקות של רדיום וכמה יסודות אחרים. המסה שלהם היא בערך פי 8000 מהמסה של האלקטרון, והמטען החיובי שווה במודולוס לכפול מהמטען של האלקטרון. אלה אינם אלא אטומי הליום מיוננים לחלוטין. מהירות החלקיקים גבוהה מאוד: היא 1/15 ממהירות האור.

בעזרת חלקיקים אלה הפציץ רתרפורד את האטומים של יסודות כבדים. אלקטרונים, בשל המסה הקטנה שלהם, אינם יכולים לשנות באופן ניכר את מסלול החלקיק, בדיוק כפי שחלוק נחל של כמה עשרות גרמים בהתנגשות עם מכונית אינו יכול לשנות באופן משמעותי את מהירותו.

מודל פלנטרי של האטום. בהתבסס על הניסויים שלו, רתרפורד יצר מודל פלנטרי של האטום. במרכז האטום נמצא גרעין טעון חיובי, שבו מרוכזת כמעט כל מסת האטום. באופן כללי, האטום הוא ניטרלי. לכן, מספר האלקטרונים התוך-אטומיים, כמו גם המטען של הגרעין, שווה למספר הסידורי של היסוד במערכת המחזורית. ברור שהאלקטרונים אינם יכולים לנוח בתוך האטום, מכיוון שהם יפלו על הגרעין. הם נעים סביב הליבה, בדיוק כפי שכוכבי הלכת מסתובבים סביב השמש. אופי זה של תנועת האלקטרונים נקבע על ידי פעולת כוחות המשיכה של קולומב מהצד של הגרעין.

אפקט פוטואלקטרי התגלה בשנת 1887 על ידי הפיזיקאי הגרמני G. Hertz ונחקר בניסוי על ידי A. G. Stoletov בשנים 1888-1890. המחקר השלם ביותר של תופעת האפקט הפוטואלקטרי בוצע על ידי F. Lenard בשנת 1900. בשלב זה, האלקטרון כבר התגלה (1897, J. Thomson), והתברר שהאפקט הפוטואלקטרי (או, ליתר דיוק, האפקט הפוטואלקטרי החיצוני) מורכב משליכת אלקטרונים מהחומר בהשפעת האור הנופל עליו.

הפריסה של מערך הניסוי לחקר האפקט הפוטואלקטרי מוצג באיור. 5.2.1.

בניסויים נעשה שימוש בכלי ואקום מזכוכית עם שתי אלקטרודות מתכת, שפני השטח שלה נוקו היטב. מתח הופעל על האלקטרודות U, שניתן לשנות את הקוטביות שלו באמצעות מקש כפול. אחת האלקטרודות (קתודה K) היארה דרך חלון קוורץ באור מונוכרומטי באורך גל מסוים λ. בשטף אור קבוע, נלקחה התלות בעוצמת הפוטו-זרם אנימהמתח המופעל. על איור. 5.2.2 מציג עקומות אופייניות לתלות כזו, המתקבלות עבור שני ערכים של עוצמת שטף האור הנופל על הקתודה.

העקומות מראות שבמתחים חיוביים גבוהים מספיק באנודה A, זרם הפוטו מגיע לרוויה, מכיוון שכל האלקטרונים הנפלטים מהאור מהקתודה מגיעים לאנודה. מדידות זהירות הראו כי זרם הרוויה אני n עומד ביחס ישר לעוצמת האור הנוצר. כאשר המתח על פני האנודה שלילי, השדה החשמלי בין הקתודה לאנודה מאט את האלקטרונים. האנודה יכולה להגיע רק לאותם אלקטרונים שהאנרגיה הקינטית שלהם עולה על | אירופה|. אם מתח האנודה נמוך מ- U h, זרם הצילום מפסיק. מדידה U h, ניתן לקבוע את האנרגיה הקינטית המקסימלית של פוטואלקטרונים:

להפתעת המדענים, הערך U h התברר כבלתי תלוי בעוצמת שטף האור הנכנס. מדידות מדוקדקות הראו שפוטנציאל החסימה גדל באופן ליניארי עם הגדלת התדירות ν של האור (איור 5.2.3).

נסיינים רבים קבעו את החוקים הבסיסיים הבאים של האפקט הפוטואלקטרי:

1. האנרגיה הקינטית המקסימלית של פוטו-אלקטרונים עולה באופן ליניארי עם הגדלת תדר האור ν ואינה תלויה בעוצמתו.

2. לכל חומר יש מה שנקרא אפקט צילום גבול אדום , כלומר, התדר הנמוך ביותר ν min שבו אפקט פוטו-אלקטרי חיצוני עדיין אפשרי.

3. מספר הפוטואלקטרונים הנשלפים על ידי האור מהקתודה ב-1 שניות הוא פרופורציונלי ישר לעוצמת האור.

4. האפקט הפוטואלקטרי הוא כמעט חסר אינרציה, זרם הפוטו מתרחש באופן מיידי לאחר תחילת הארת הקתודה, בתנאי שתדר האור ν > ν min.

כל החוקים הללו של האפקט הפוטואלקטרי סתרו ביסוד את הרעיונות של הפיזיקה הקלאסית על האינטראקציה של האור עם החומר. לפי מושגי גל, בעת אינטראקציה עם גל אור אלקטרומגנטי, אלקטרון יצבור בהדרגה אנרגיה, וייקח זמן ניכר, תלוי בעוצמת האור, עד שהאלקטרון יצבור מספיק אנרגיה כדי לעוף החוצה מהקתודה. חישובים מראים שהזמן הזה היה צריך להיות מחושב בדקות או שעות. עם זאת, הניסיון מראה שפוטואלקטרונים מופיעים מיד לאחר תחילת ההארה של הקתודה. במודל זה, גם אי אפשר היה להבין את קיומו של הגבול האדום של האפקט הפוטואלקטרי. תורת הגלים של האור לא יכלה להסביר את עצמאות האנרגיה של פוטואלקטרונים מעוצמת שטף האור והפרופורציונליות של האנרגיה הקינטית המקסימלית לתדר האור.

לפיכך, התיאוריה האלקטרומגנטית של האור התבררה כבלתי מסוגלת להסביר את הקביעות הללו.

מוצא נמצא על ידי א. איינשטיין בשנת 1905. הסבר תיאורטי של חוקי האפקט הפוטואלקטרי הנצפים ניתן על ידי איינשטיין על בסיס ההשערה של מ. פלאנק שאור נפלט ונבלע בחלקים מסוימים, והאנרגיה של כל אחד מהם. חלק כזה נקבע על ידי הנוסחה ה = ח v, איפה חהוא הקבוע של פלאנק. איינשטיין לקח את הצעד הבא בפיתוח מושגים קוונטיים. הוא הגיע למסקנה ש לאור יש מבנה לא רציף (בדיד).. גל אלקטרומגנטי מורכב מחלקים נפרדים - קוונטים, שנקרא לאחר מכן פוטונים. בעת אינטראקציה עם חומר, פוטון מעביר את כל האנרגיה שלו חν לאלקטרון אחד. חלק מהאנרגיה הזו יכול להתפוגג על ידי אלקטרון בהתנגשויות עם אטומי חומר. בנוסף, חלק מאנרגיית האלקטרונים מושקע על התגברות על מחסום הפוטנציאל בממשק מתכת ואקום. לשם כך, האלקטרון חייב ליצור פונקציית עבודה א בהתאם לתכונות החומר הקתודה. האנרגיה הקינטית המקסימלית שיכולה להיות לפוטואלקטרון הנפלט מהקתודה נקבעת על ידי חוק שימור האנרגיה:

נוסחה זו נקראת המשוואה של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי .

באמצעות משוואת איינשטיין, ניתן להסביר את כל הקביעות של האפקט הפוטואלקטרי החיצוני. ממשוואת איינשטיין עוקבים התלות הליניארית של האנרגיה הקינטית המקסימלית בתדר וחוסר תלות בעוצמת האור, קיומו של גבול אדום ואינרציה של האפקט הפוטואלקטרי. המספר הכולל של הפוטואלקטרונים היוצאים ממשטח הקתודה ב-1 שניות צריך להיות פרופורציונלי למספר הפוטונים הנופלים על פני השטח באותו זמן. מכאן נובע שזרם הרוויה חייב להיות פרופורציונלי ישר לעוצמת שטף האור.

כדלקמן ממשוואת איינשטיין, שיפוע הקו הישר המבטא את התלות של פוטנציאל החסימה U h מהתדר ν (איור 5.2.3), שווה ליחס הקבוע של פלאנק חלמטען של אלקטרון ה:

זה מאפשר לקבוע בניסוי את ערכו של הקבוע של פלאנק. מדידות כאלה בוצעו בשנת 1914 על ידי ר' מיליקן והעניקו הסכמה טובה לערך שמצא פלאנק. מדידות אלו אפשרו גם לקבוע את פונקציית העבודה א:

איפה ג- מהירות האור, λ cr - אורך גל המתאים לגבול האדום של האפקט הפוטואלקטרי. עבור רוב המתכות, פונקציית העבודה אהוא כמה וולט אלקטרונים (1 eV = 1.602 10 -19 J). בפיזיקה קוונטית, האלקטרון וולט משמש לעתים קרובות כיחידת אנרגיה. ערכו של הקבוע של פלאנק, מבוטא בוולט אלקטרונים לשנייה, הוא

מבין המתכות, לאלמנטים אלקליים יש את פונקציית העבודה הנמוכה ביותר. לדוגמה, נתרן א= 1.9 eV, המתאים לגבול האדום של האפקט הפוטואלקטרי λcr ≈ 680 ננומטר. לכן, תרכובות מתכת אלקלי משמשות ליצירת קתודות תאי צילום נועד לזהות אור נראה.

אז, חוקי האפקט הפוטואלקטרי מצביעים על כך שאור, כאשר הוא נפלט ונבלע, מתנהג כמו זרם של חלקיקים הנקרא פוטונים אוֹ קוואנטה קלה .

אנרגיית הפוטון היא

מכאן נובע שלפוטון יש מומנטום

לפיכך, תורת האור, לאחר שהשלימה מהפכה שנמשכה מאתיים שנה, חזרה שוב לרעיונות של חלקיקי האור - גופים.

אבל זו לא הייתה חזרה מכנית לתיאוריה הגופנית של ניוטון. בתחילת המאה ה-20 התברר שלאור יש אופי כפול. כאשר האור מתפשט, תכונות הגל שלו מופיעות (הפרעות, עקיפה, קיטוב), ובאינטראקציה עם החומר, גופנית (אפקט פוטו-אלקטרי). הטבע הכפול הזה של האור נקרא דואליות גל-חלקיק עליו דיבר לומונוסוב. מאוחר יותר, הטבע הכפול התגלה באלקטרונים ובחלקיקים יסודיים אחרים. הפיזיקה הקלאסית אינה יכולה לתת מודל חזותי של השילוב בין תכונות גל וגוף של מיקרו-אובייקטים. תנועתם של מיקרו-אובייקטים נשלטת לא על ידי חוקי המכניקה הניוטונית הקלאסית, אלא על ידי חוקי מכניקת הקוונטים. תיאוריית קרינת הגוף השחור שפותחה על ידי מ. פלאנק ותיאוריית הקוונטים של איינשטיין לגבי האפקט הפוטואלקטרי עומדת בבסיס המדע המודרני הזה.

הוא הביע השערה: אור נפלט ונבלע על ידי חלקים נפרדים - קוונטים (או פוטונים). האנרגיה של כל פוטון נקבעת על ידי הנוסחה ה= ח ν , איפה ח-קבוע של פלאנק, שווה ל-6.63. 10 -34 י', ν הוא התדר של האור. השערתו של פלאנק הסבירה תופעות רבות: בפרט, תופעת האפקט הפוטואלקטרי, שהתגלתה ב-1887 על ידי המדען הגרמני היינריך הרץ ונחקרה בניסוי על ידי המדען הרוסי א.ג'י סטולטוב.

אפקט פוטואלקטרי — זוהי התופעה של פליטת אלקטרונים על ידי חומר בפעולת האור.

כתוצאה מהמחקר, נקבעו שלושה חוקים של האפקט הפוטואלקטרי:

1. עוצמת זרם הרוויה עומדת ביחס ישר לעוצמת קרינת האור הנופלת על פני הגוף.

2. האנרגיה הקינטית המקסימלית של פוטו-אלקטרונים עולה באופן ליניארי עם תדר האור ואינה תלויה בעוצמתו.

3. אם תדירות האור קטנה מתדר מינימלי מסוים שהוגדר לחומר נתון, אזי האפקט הפוטואלקטרי לא מתרחש.

התלות של זרם הפוטו במתח מוצגת באיור 36.

התיאוריה של האפקט הפוטואלקטרי נוצרה על ידי המדען הגרמני א' איינשטיין בשנת 1905. התיאוריה של איינשטיין מבוססת על הרעיון של פונקציית העבודה של אלקטרונים ממתכת ועל הרעיון של פליטת אור קוונטי. לפי התיאוריה של איינשטיין, לאפקט הפוטואלקטרי יש את ההסבר הבא: על ידי קליטת קוואנטים של אור, אלקטרון רוכש אנרגיה hv.כאשר עוזבים מתכת, האנרגיה של כל אלקטרון יורדת בכמות מסוימת, מה שנקרא פונקציית עבודה(א החוצה). פונקציית העבודה היא העבודה הנדרשת כדי להסיר אלקטרון ממתכת. האנרגיה המקסימלית של אלקטרונים לאחר היציאה (אם אין הפסדים אחרים) היא: mv 2/2 \u003d hv - A out,המשוואה הזו נקראת משוואת איינשטיין .

אם hν< ואז האפקט הפוטואלקטרי לא מתרחש. אומר, אפקט צילום גבול אדוםשווה ל ν min =א החוצה / ח

מכשירים המבוססים על עקרון הפעולה של תופעת האפקט הפוטואלקטרי נקראים רכיבי תמונה.המכשיר הפשוט ביותר הוא תא צילום ואקום. החסרונות של תא פוטו כזה הם: זרם נמוך, רגישות נמוכה לקרינה ארוכת גלים, קושי בייצור, חוסר אפשרות שימוש במעגלי AC. הוא משמש בפוטומטריה למדידת עוצמת האור, בהירות, תאורה, בצילום לשעתוק קול, בצילומים ופוטוטלפונים, בניהול תהליכי ייצור.

ישנם תאי פוטו מוליכים למחצה שבהם בהשפעת האור משתנה ריכוז נושאי הזרם. הם משמשים בבקרה אוטומטית של מעגלים חשמליים (למשל בקרוסלות רכבת תחתית), במעגלי זרם חילופין, כמקורות זרם בלתי מתחדשים. בשעונים, מיקרו מחשבונים, המכוניות הסולאריות הראשונות נבדקות, הן משמשות בסוללות סולאריות בלוויינים מלאכותיים של כדור הארץ, בתחנות אוטומטיות בין-כוכביות ומסלוליות.

תופעת האפקט הפוטואלקטרי קשורה לתהליכים פוטוכימיים המתרחשים תחת פעולת האור בחומרי צילום.

1. ההיסטוריה של גילוי האפקט הפוטואלקטרי

2. חוקי סטולטוב

3. המשוואה של איינשטיין

4. אפקט פוטו-אלקטרי פנימי

5. יישום תופעת האפקט הפוטואלקטרי

מבוא

תופעות אופטיות רבות הוסברו בעקביות על בסיס רעיונות לגבי אופי הגל של האור. עם זאת, בסוף המאה ה-19 - ראשית המאה ה-20. התגלו ונחקרו תופעות כמו האפקט הפוטואלקטרי, קרני רנטגן, אפקט קומפטון, קרינת אטומים ומולקולות, קרינה תרמית ועוד, שההסבר שלהן מנקודת מבט הגל התברר כבלתי אפשרי. הסבר לעובדות הניסוי החדשות התקבל על בסיס רעיונות גופניים על טבעו של האור. נוצר מצב פרדוקסלי הקשור לשימוש במודלים פיזיקליים הפוכים לחלוטין של גל וחלקיק כדי להסביר תופעות אופטיות. בתופעות מסוימות, האור הפגין תכונות גל, באחרות - גופי.

בין התופעות השונות שבהן באה לידי ביטוי השפעת האור על החומר, מקום חשוב תופס אפקט פוטואלקטרי, כלומר פליטת אלקטרונים על ידי חומר בהשפעת האור. הניתוח של תופעה זו הוביל לרעיון של קוונטות האור ומילא תפקיד חשוב ביותר בפיתוח מושגים תיאורטיים מודרניים. יחד עם זאת, האפקט הפוטואלקטרי משמש בתאי פוטו, אשר זכו ליישום רחב במיוחד בתחומי המדע והטכנולוגיה המגוונים ביותר ומבטיחים סיכויים עשירים אף יותר.

ההיסטוריה של גילוי האפקט הפוטואלקטרי

את גילוי האפקט הפוטואלקטרי יש לייחס לשנת 1887, אז גילה הרץ שהארת אלקטרודות עם פער ניצוץ מתחת למתח עם אור אולטרה סגול מקלה על הניצוץ ביניהן.

ניתן לראות את התופעה שגילה הרץ בניסוי הבא שניתן לבצע בקלות (איור 1).

הערך של פער הניצוץ F נבחר בצורה כזו שבמעגל המורכב משנאי T וקבל C, הניצוץ קופץ בקושי (פעם או פעמיים בדקה). אם האלקטרודות F, עשויות אבץ טהור, מוארות באור של מנורת כספית Hg, אזי פריקת הקבל קלה מאוד: ניצוץ מתחיל לקפוץ. 1. סכימת הניסוי של הרץ.

האפקט הפוטואלקטרי הוסבר ב-1905 על ידי אלברט איינשטיין (עליו קיבל את פרס נובל ב-1921) בהתבסס על השערתו של מקס פלאנק לגבי הטבע הקוונטי של האור. עבודתו של איינשטיין הכילה השערה חדשה וחשובה - אם פלאנק הציע שאור נפלט רק במנות קוונטיות, אז איינשטיין כבר האמין שאור קיים רק בצורה של מנות קוונטיות. מהמושג של אור כחלקיקים (פוטונים), הנוסחה של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי מגיעה מיד:

היכן האנרגיה הקינטית של האלקטרון הנפלט, היא פונקציית העבודה של החומר הנתון, היא תדירות האור הנכנס, הוא הקבוע של פלאנק, שהתברר שזהה בדיוק כמו בנוסחת פלאנק לקרינת גוף שחור.

מנוסחה זו נובע קיומו של הגבול האדום של האפקט הפוטואלקטרי. לפיכך, מחקרים על האפקט הפוטואלקטרי היו בין המחקרים המכאניים הקוונטים המוקדמים ביותר.

חוקי סטולטוב

בפעם הראשונה (1888–1890), תוך ניתוח מפורט של תופעת האפקט הפוטואלקטרי, הפיזיקאי הרוסי א.ג. סטולטוב השיג תוצאות חשובות ביסודו. בניגוד לחוקרים קודמים, הוא לקח הבדל פוטנציאל קטן בין האלקטרודות. סכימת הניסוי של סטולטוב מוצגת באיור. 2.

שתי אלקטרודות (אחת בצורת רשת, השנייה שטוחה), הממוקמות בוואקום, מחוברות לסוללה. מד הזרם הכלול במעגל משמש למדידת עוצמת הזרם המתקבלת. בהקרנת הקתודה באור באורכי גל שונים, הגיע סטולטוב למסקנה שלקרניים אולטרה סגולות יש את ההשפעה היעילה ביותר. בנוסף, נמצא כי עוצמת הזרם הנוצר מפעולת האור עומדת ביחס ישר לעוצמתו.

בשנת 1898, לנארד ותומסון קבעו את המטען הספציפי של חלקיקים טעונים שנפלטו בשיטת סטיית המטען בשדות חשמליים ומגנטיים. 2. סכימת הניסוי של סטולטוב.

אור מהקתודה, וקיבל את הביטוי

יחידת SGSE s/g, חופף למטען הספציפי הידוע של האלקטרון. מכאן נובע שתחת פעולת האור נפלטים אלקטרונים מחומר הקתודה.

על ידי סיכום התוצאות שהתקבלו, להלן דפוסיםאפקט פוטואלקטרי:

1. עם הרכב ספקטרלי קבוע של אור, עוצמת זרם הצילום הרוויה עומדת ביחס ישר לשטף האור הנכנס על הקתודה.

2. האנרגיה הקינטית הראשונית של האלקטרונים הנפלטים מהאור גדלה באופן ליניארי עם תדירות האור ואינה תלויה בעוצמתו.

3. האפקט הפוטואלקטרי אינו מתרחש אם תדירות האור נמוכה מערך מסוים המאפיין כל מתכת, הנקרא הגבול האדום.

ניתן להסביר בקלות את התבנית הראשונה של האפקט הפוטואלקטרי, כמו גם את התרחשות האפקט הפוטואלקטרי עצמו על סמך חוקי הפיזיקה הקלאסית. ואכן, שדה האור, הפועל על האלקטרונים שבתוך המתכת, מעורר את התנודות שלהם. המשרעת של התנודות הכפויות יכולה להגיע לערך כזה שבו האלקטרונים עוזבים את המתכת; ואז האפקט הפוטואלקטרי נצפה.

לאור העובדה שלפי התיאוריה הקלאסית, עוצמת האור עומדת ביחס ישר לריבוע הווקטור החשמלי, מספר האלקטרונים הנפלטים גדל עם עלייה בעוצמת האור.

החוק השני והשלישי של האפקט הפוטואלקטרי אינם מוסברים על ידי חוקי הפיזיקה הקלאסית.

לימוד התלות של זרם הפוטו (איור 3), המתרחש כאשר מתכת מוקרנת בזרם של אור מונוכרומטי, בהפרש הפוטנציאל בין האלקטרודות (תלות כזו נקראת בדרך כלל וולט-אמפר המאפיין את זרם הפוטו), נמצא כי: 1) הפוטו-זרם מתרחש לא רק ב-, אלא גם ב-; 2) זרם הפוטו שונה מאפס לערך שלילי של הפרש הפוטנציאל המוגדר בקפדנות למתכת נתונה, מה שנקרא פוטנציאל עיכוב; 3) גודל פוטנציאל החסימה (ההשהיה) אינה תלויה בעוצמת האור הנכנס; 4) זרם הצילום עולה עם ירידה בערך המוחלט של פוטנציאל העיכוב; 5) ערך הפוטו-זרם עולה עם הצמיחה ומערך מסוים הופך הפוטו-זרם (מה שנקרא זרם הרוויה) קבוע; 6) ערך זרם הרוויה עולה עם הגדלת עוצמת האור הנכנס; 7) ערך העיכוב 3. תכונה

הפוטנציאל תלוי בתדירות האור הנכנס; זרם צילום.

8) מהירות האלקטרונים הנפלטים בפעולת האור אינה תלויה בעוצמת האור, אלא תלויה רק ​​בתדירותו.

המשוואה של איינשטיין

תופעת האפקט הפוטואלקטרי וכל חוקיו מוסברים היטב באמצעות תורת הקוונטים של האור, המאששת את הטבע הקוונטי של האור.

כפי שכבר צוין, איינשטיין (1905), שפיתח את תורת הקוונטים של פלאנק, העלה את הרעיון שלא רק קרינה ובליעה, אלא גם התפשטות האור מתרחשת בחלקים (קוואנטה), שהאנרגיה והתנע שלהן הם:

היכן וקטור היחידה מכוון לאורך וקטור הגל. בהחלת חוק שימור האנרגיה על תופעת האפקט הפוטואלקטרי במתכות, איינשטיין הציע את הנוסחה הבאה:

, (1)

היכן היא פונקציית העבודה של אלקטרון ממתכת, היא מהירותו של פוטואלקטרון. לפי איינשטיין, כל קוואנט נספג באלקטרון אחד בלבד, וחלק מהאנרגיה של הפוטון הנוצר מושקע בביצוע תפקיד העבודה של אלקטרון המתכת, בעוד שהחלק הנותר מעניק אנרגיה קינטית לאלקטרון.

כדלקמן (1), האפקט הפוטואלקטרי במתכות יכול להתרחש רק בשעה, אחרת אנרגיית הפוטון לא תהיה מספיקה כדי להוציא אלקטרון מהמתכת. התדירות הנמוכה ביותר של האור, שבהשפעתו מתרחשת האפקט הפוטואלקטרי, נקבעת כמובן מהמצב

תדר האור שנקבע לפי תנאי (2) נקרא "גבול אדום" של האפקט הפוטואלקטרי. למילה "אדום" אין שום קשר לצבע האור שבו מתרחש האפקט הפוטואלקטרי. בהתאם לסוג המתכת, ה"גבול האדום" של האפקט הפוטואלקטרי יכול להתאים לאור אדום, צהוב, סגול, אולטרה סגול וכו'.

בעזרת הנוסחה של איינשטיין ניתן להסביר גם סדירות אחרות של האפקט הפוטואלקטרי.

הבה נניח כי, כלומר, קיים פוטנציאל עיכוב בין האנודה לקתודה. אם האנרגיה הקינטית של האלקטרונים מספיקה, אז הם, לאחר שהתגברו על שדה ההאטה, יוצרים זרם צילום. זרם הפוטו כולל את האלקטרונים שעבורם התנאי מתקיים . ערך פוטנציאל העיכוב נקבע מהתנאי

, (3)

איפה המהירות המקסימלית של אלקטרונים שנפלטים. אורז. ארבע.

החלפת (3) ב-(1), נקבל

לפיכך, גודל פוטנציאל העיכוב אינו תלוי בעוצמה, אלא תלוי רק בתדירות האור הנכנס.

ניתן לקבוע את פונקציית העבודה של אלקטרונים ממתכת וקבוע של פלאנק על ידי שרטוט התלות בתדירות האור הנכנס (איור 4). כפי שאתה יכול לראות, הקטע המנותק מהציר הפוטנציאלי נותן .

לאור העובדה שעוצמת האור עומדת ביחס ישר למספר הפוטונים, עלייה בעוצמת האור הנכנסת מובילה לעלייה במספר האלקטרונים הנפלטים, כלומר לעלייה בזרם הפוטו.

הנוסחה של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי בלא-מתכות יש את הצורה

.

הנוכחות - עבודת ההפרדה של אלקטרון קשור מאטום בתוך לא-מתכות - מוסברת בכך שבניגוד למתכות, שבהן יש אלקטרונים חופשיים, בלא-מתכות, אלקטרונים נמצאים במצב קשור לאטומים. ברור שכאשר אור נופל על לא-מתכות, חלק מאנרגיית האור מושקע על האפקט הפוטואלקטרי באטום - על הפרדת האלקטרון מהאטום, והשאר מושקע על תפקוד העבודה של האלקטרון והקניית קינטיקה אנרגיה לאלקטרון.

אלקטרוני הולכה אינם עוזבים באופן ספונטני את המתכת בכמות ניכרת. זה מוסבר על ידי העובדה שהמתכת מייצגת באר פוטנציאלי עבורם. אפשר להשאיר את המתכת רק לאותם אלקטרונים שהאנרגיה שלהם מספיקה כדי להתגבר על מחסום הפוטנציאל הקיים על פני השטח. לכוחות הגורמים למחסום זה המקור הבא. הסרה מקרית של אלקטרון מהשכבה החיצונית של יונים חיוביים של הסריג מובילה להופעת מטען חיובי עודף במקום שהאלקטרון עזב. האינטראקציה של קולומב עם מטען זה גורמת לאלקטרון, שמהירותו אינה גבוהה במיוחד, לחזור בחזרה. לפיכך, אלקטרונים בודדים עוזבים את פני המתכת כל הזמן, מתרחקים ממנו במספר מרחקים בין-אטומיים, ואז מסתובבים לאחור. כתוצאה מכך, המתכת מוקפת בענן דק של אלקטרונים. ענן זה יחד עם שכבת היונים החיצונית יוצר שכבה חשמלית כפולה (איור 5; עיגולים - יונים, נקודות שחורות - אלקטרונים). הכוחות הפועלים על אלקטרון בשכבה כזו מופנים בתוך המתכת. העבודה הנעשית נגד כוחות אלו במהלך העברת אלקטרון מהמתכת אל החוץ נועדה להגדיל את האנרגיה הפוטנציאלית של האלקטרון (איור 5).

לפיכך, האנרגיה הפוטנציאלית של אלקטרוני ערכיות בתוך המתכת קטנה מאשר מחוץ למתכת בכמות השווה לעומק הבאר הפוטנציאלית (איור 6). השינוי באנרגיה מתרחש על פני אורך בסדר גודל של מספר מרחקים בין-אטומיים; לכן, קירות הבאר יכולים להיחשב אנכיים.

אנרגיה פוטנציאלית של אלקטרון איור. 6.

ולפוטנציאל של הנקודה שבה האלקטרון נמצא יש סימנים הפוכים. מכאן נובע שהפוטנציאל בתוך המתכת גדול מהפוטנציאל בסביבה הקרובה של פני השטח שלה ב.

מתן מטען חיובי עודף למתכת מגדיל את הפוטנציאל הן על פני השטח והן בתוך המתכת. האנרגיה הפוטנציאלית של אלקטרון יורדת בהתאם (איור 7, א).

ערכי האנרגיה הפוטנציאלית והפוטנציאלית באינסוף נלקחים כנקודת הייחוס. החדרת מטען שלילי מורידה את הפוטנציאל בתוך ומחוץ למתכת. בהתאם לכך, האנרגיה הפוטנציאלית של האלקטרון עולה (איור 7, ב).

האנרגיה הכוללת של אלקטרון במתכת היא סכום האנרגיות הפוטנציאליות והקינטיות. באפס מוחלט, ערכי האנרגיה הקינטית של אלקטרוני הולכה נעים בין אפס לאנרגיה החופפת לרמת הפרמי. על איור. 8, רמות האנרגיה של פס ההולכה רשומות בבאר הפוטנציאלית (קווים מקווקו מציגים רמות לא תפוסות ב-0K). כדי לצאת מהמתכת, צריך לתת לאלקטרונים שונים אנרגיות שונות. אז, אלקטרון הממוקם ברמה הנמוכה ביותר של רצועת ההולכה חייב לקבל אנרגיה; עבור אלקטרון ברמת פרמי, האנרגיה מספיקה .

האנרגיה הקטנה ביותר שצריך להקנות לאלקטרון כדי להוציאו מגוף מוצק או נוזלי לתוך ואקום נקראת יציאה לעבודה.פונקציית העבודה של אלקטרון ממתכת נקבעת על ידי הביטוי

השגנו את הביטוי הזה בהנחה שהטמפרטורה של המתכת היא 0K. בטמפרטורות אחרות, פונקציית העבודה מוגדרת גם כהפרש בין עומק הבאר הפוטנציאלית לרמת הפרמי, כלומר, הגדרה (4) מורחבת לכל טמפרטורה. אותה הגדרה חלה על מוליכים למחצה.

רמת הפרמי תלויה בטמפרטורה. בנוסף, עקב השינוי במרחקים הממוצעים בין אטומים עקב התפשטות תרמית, עומק הבאר הפוטנציאלי משתנה מעט. כתוצאה מכך פונקציית העבודה תלויה מעט בטמפרטורה.

פונקציית העבודה רגישה מאוד למצב משטח המתכת, בפרט לטוהר שלו. לאחר בחירה נכונה איור. שמונה.

ציפוי משטח, ניתן להפחית מאוד את פונקציית העבודה. אז, למשל, שקיעה של שכבת תחמוצת של מתכת אדמה אלקליין (Ca, Sr, Ba) על פני השטח של טונגסטן מפחיתה את פונקציית העבודה מ-4.5 eV (עבור W טהור) ל-1.5 - 2 eV.

אפקט פוטו-אלקטרי פנימי

למעלה, דיברנו על שחרור אלקטרונים מהמשטח המואר של חומר ועל המעבר שלהם למדיום אחר, בפרט, לשאוב. פליטת אלקטרונים זו נקראת פליטה פוטואלקטרונית, אלא התופעה עצמה אפקט פוטו-אלקטרי חיצוני.יחד עם זה ידוע גם בשימוש נרחב למטרות מעשיות, מה שנקרא אפקט פוטו-אלקטרי פנימי, שבו, בניגוד לזה החיצוני, אלקטרונים נרגשים אופטית נשארים בתוך הגוף המואר מבלי להפר את הנייטרליות של האחרון. במקרה זה, ריכוז נושאי המטען או ניידותם משתנה בחומר, מה שמוביל לשינוי בתכונות החשמליות של החומר בפעולת האור הנכנס עליו. האפקט הפוטואלקטרי הפנימי טבוע רק במוליכים למחצה ובדיאלקטריים. זה יכול להיות מזוהה, במיוחד, על ידי שינוי מוליכות של מוליכים למחצה הומוגניים כאשר הם מוארים. בהתבסס על תופעה זו, פוטו מוליכותנוצרה קבוצה גדולה של מקלטי אור והיא נמצאת בשיפור מתמיד - נגדי צילום. הם משתמשים בעיקר בסלניד וקדמיום גופרתי.

במוליכים למחצה לא הומוגניים, יחד עם שינוי מוליכות, נצפית גם היווצרות של הבדל פוטנציאלי (צילום - emf). תופעה זו (אפקט פוטו-וולטאי) נובעת מכך שבגלל ההומוגניות של המוליכות של מוליכים למחצה, ישנה הפרדה מרחבית בתוך נפח המוליך של אלקטרונים מעורבים אופטית הנושאים מטען שלילי ומיקרוזונים (חורים) הנוצרים. בסביבה הקרובה של האטומים מהם נתלשו האלקטרונים, וכמו חלקיקים של נשאים מטען יסוד חיובי. אלקטרונים וחורים מרוכזים בקצוות שונים של המוליך למחצה, כתוצאה מכך נוצר כוח אלקטרו-מוטורי, שבגללו הוא נוצר ללא יישום של emf חיצוני. זרם חשמלי בעומס המחובר במקביל עם מוליך למחצה מואר. בדרך זו מושגת המרה ישירה של אנרגיית האור לאנרגיה חשמלית. מסיבה זו משמשים מקלטי אור פוטו-וולטאיים לא רק לרישום אותות אור, אלא גם במעגלים חשמליים כמקורות אנרגיה חשמלית.

הסוגים התעשייתיים העיקריים של מקלטים כאלה פועלים על בסיס סלניום וכסף גופרתי. גם סיליקון, גרמניום ומספר תרכובות - GaAs, InSb, CdTe ואחרות נפוצים מאוד. תאים פוטו-וולטאיים המשמשים להמרת אנרגיה סולארית לאנרגיה חשמלית הפכו לשימוש נרחב במיוחד בחקר החלל כמקורות כוח על הסיפון. הם בעלי יעילות גבוהה יחסית (עד 20%) והם נוחים מאוד לטיסת חללית אוטונומית. בתאים סולאריים מודרניים, בהתאם לחומר המוליך למחצה, צילום - emf. מגיע ל-1 - 2 וולט, הסרת זרם מ- כמה עשרות מיליאמפר, ועבור 1 ק"ג של מסה, הספק המוצא מגיע למאות וואט.