Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Фотоефект


Перегляд цього шаблону

План:


Введення

Фотоефект - це випускання електронів речовиною під дією світла (і, взагалі кажучи, будь-якого електромагнітного випромінювання). У конденсованих речовинах (твердих і рідких) виділяють зовнішній та внутрішній фотоефект.

Закони фотоефекту:


Формулювання 1-го закону фотоефекту: кількість електронів, що вириваються світлом з поверхні металу за одиницю часу на даній частоті, прямо пропорційно світловому потоку, що висвітлює метал.

Згідно 2-му закону фотоефекту, максимальна кінетична енергія вириті світлом електронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

Третій закон фотоефекту: для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла \ Nu_0 (Або максимальна довжина хвилі λ 0 ), При якій ще можливий фотоефект, і якщо \ Nu <\ nu_0 , То фотоефект не відбувається.

Теоретичне пояснення цих законів було дано в 1905 Ейнштейном. Згідно з ним, електромагнітне випромінювання являє собою потік окремих квантів ( фотонів) з енергією h ν кожен, де h - постійна Планка. При фотоефекті частина падаючого електромагнітного випромінювання від поверхні металу відбивається, а частина проникає всередину поверхневого шару металу і там поглинається. Поглинувши фотон, електрон отримує від нього енергію і, роблячи роботу виходу A out , Покидає метал: h \ nu = A_ {out} + W_ {e}, де W_ {e} - Кінетична енергія, яку має електрон при вильоті з металу.


1. Історія відкриття

У 1839 році Олександр Беккерель спостерігав [1] явище фотоефекту в електроліті.

У 1873 році Віллоубі Сміт виявив, що селен є фотопровідним. Потім ефект вивчався в 1887 Генріхом Герцем. При роботі з відкритим резонатором він зауважив, що якщо посвітити ультрафіолетом на цинкові розрядники, то проходження іскри помітно полегшується.

Дослідження фотоефекту показали, що, всупереч класичній електродинаміки, енергія вилітає електрона завжди строго пов'язана з частотою падаючого випромінювання і практично не залежить від інтенсивності опромінення.

У 1888-1890 роках фотоефект систематично вивчав російський фізик Олександр Столєтов. Їм були зроблені кілька важливих відкриттів у цій галузі, в тому числі виведено перший закон зовнішнього фотоефекту.

Схема експерименту по дослідженню фотоефекту. Зі світла береться вузький діапазон частот і направляється на катод усередині вакуумного приладу. Напругою між катодом і анодом встановлюється енергетичний поріг між ними. По струму судять про досягнення електронами анода.

Фотоефект був пояснений в 1905 Альбертом Ейнштейном (за що в 1921 він, завдяки номінації шведського фізика Карла Вільгельма Озеена, отримав Нобелівську премію) на основі гіпотези Макса Планка про квантову природу світла. В роботі Ейнштейна містилася важлива нова гіпотеза - якщо Планк в 1900 припустив, що світло випромінюється лише квантованими порціями, то Ейнштейн вже вважав, що світло і існує тільки у вигляді квантованих порцій. Із закону збереження енергії, при поданні світла у вигляді частинок ( фотонів), слід формула Ейнштейна для фотоефекту:

h \ nu = A_ {out} + \ frac {mv ^ 2} {2}

де A_ {out} - Т. зв. робота виходу (мінімальна енергія, необхідна для видалення електрона з речовини), \ Frac {mv ^ 2} {2} - кінетична енергія вилітає електрона, \ Nu - Частота падаючого фотона з енергією h \ nu , h - постійна Планка. З цієї формули випливає існування червоною кордону фотоефекту, тобто існування найменшої частоти, нижче якої енергії фотона вже недостатньо для того, щоб "вибити" електрон з металу. Суть формули полягає в тому, що енергія фотона витрачається на іонізацію атома речовини і на роботу, необхідну для "виривання" електрона, а залишок переходить у кінетичну енергію електрона.

Дослідження фотоефекту були одними з найперших квантовомеханічних досліджень.


2. Зовнішній фотоефект

Зовнішній фотоефект

Зовнішнім фотоефектом (фотоелектронної емісією) називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітних випромінювань. Електрони, що вилітають з речовини при зовнішньому фотоефекті, називаються фотоелектронів, а електричний струм, утворений ними при впорядкованому русі в зовнішньому електричному полі, називається фотоструму.

Фотокатод - електрод вакуумного електронного приладу, який безпосередньо піддається впливу електромагнітних випромінювань і емітує електрони під дією цього випромінювання.

Залежність спектральної чутливості від частоти або довжини хвилі електромагнітного випромінювання називають спектральною характеристикою фотокатода.


2.1. Закони зовнішнього фотоефекту

  1. Закон Столєтова: при незмінному спектральному складі електромагнітних випромінювань, падаючих на фотокатод, фотострум насичення пропорційний енергетичній освітленості катода (інакше: число фотоелектронів, що вибиваються з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності випромінювання):
    I_n ~ E_e і n_ {\ rm cek} ~ E_e
  2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою.
  3. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота ν 0 світла (що залежить від хімічної природи речовини і стану поверхні), нижче якої фотоефект неможливий.

2.2. Теорія Фаулера

Основні закономірності зовнішнього фотоефекту для металів добре описуються теорією Фаулера [2]. Відповідно до неї, після поглинання в металі фотона, його енергія переходить електронам провідності, внаслідок чого електронний газ в металі складається з суміші газів з нормальним розподілом Фермі-Дірака і збудженим (зрушеним на hν) розподілом по енергіях. Щільність фотоструму визначається формулою Фаулера:

j = \ left \ {\ begin {matrix} {{B} _ {1}} {{T} ^ {2}} \ exp (\ frac {h \ nu-h {{\ nu} _ {\ min} }} {kT}), & \ nu \ le {{\ nu} _ {\ min}} = \ frac {{{A} _ {out}}} {h} \ \ {{B} _ {2} } {{T} ^ {2}} (\ frac {{{(h \ nu-h {{\ nu} _ {\ min}})} ^ {2}}} {{{k} ^ {2} } {{T} ^ {2}}} + {{B} _ {3}}), & \ nu> {{\ nu} _ {\ min}} \ \ \ end {matrix} \ right.

де B_1 , B_2 , B_3 - Постійні коефіцієнти, залежать від властивостей опромінюється металу.


2.3. Квантовий вихід

Важливою кількісною характеристикою фотоефекту є квантовий вихід Y - число емітованих електронів в розрахунку на один фотон, що падає на поверхню тіла. Величина Y визначається властивостями речовини, станом його поверхні і енергією фотонів. Квантовий вихід фотоефекту з металів у видимій та ближній УФ-областях Y <0,001 електрон / фотон. Це пов'язано насамперед з малою глибиною виходу фотоелектронів, яка значно менше глибини поглинання світла в металі. Більшість фотоелектронів розсіює свою енергію до підходу до поверхні і втрачає можливість вийти у вакуум. При енергії фотонів поблизу порогу фотоефекту більшість фотоелектронів збуджується нижче рівня вакууму і не дає вкладу в фотоемісійні струм. Крім того, коефіцієнт відбиття у видимій та ближній УФ-областях великий і лише мала частина випромінювання поглинається в металі. Ці обмеження частково знімаються в дальній УФ-області спектра, де Y досягає величини 0,01 електрон / фотон при енергії фотонів E> 10 еВ.


3. Внутрішній фотоефект

Внутрішнім фотоефектом називається перерозподіл електронів по енергетичним станам в твердих і рідких напівпровідниках і діелектриках, що відбувається під дією випромінювань. Він проявляється в зміні концентрації носіїв зарядів в середовищі і призводить до виникнення фотопровідності або вентильного фотоефекту.

Фотопроводимостью називається збільшення електричної провідності речовини під дією випромінювання.


3.1. Вентильний фотоефект

Вентильний фотоефект або фотоефект в замикаючому шарі - явище, при якому фотоелектрони покидають межі тіла, переходячи через поверхню розділу в інше тверде тіло ( напівпровідник) або рідина ( електроліт).

4. Фотовольтаїчної ефект

Фотовольтаїчної ефект - виникнення електрорушійної сили під дією електромагнітного випромінювання. [3]

5. Ядерний фотоефект

При поглинанні гамма-кванта ядро отримує надлишок енергії без зміни свого нуклонного складу, а ядро з надлишком енергії є складовим ядром. Як і інші ядерні реакції, поглинання ядром гамма-кванта можливо тільки при виконанні необхідних енергетичних і спінових співвідношень. Якщо передана ядру енергія перевершує енергію зв'язку нуклона в ядрі, то розпад утворився складеного ядра відбувається найчастіше з випусканням нуклонів, в основному нейтронів. Такий розпад веде до ядерних реакцій ~ (\ Gamma, n) і ~ (\ Gamma, p) , Які і називаються фотоядерних, а явище випускання нуклонів (нейтронів і протонів) в цих реакціях - ядерним фотоефектом [4].


6. Сучасні дослідження

Як показали експерименти в національному метрологічному інституті Німеччині Physikalisch-Technische Bundesanstalt, результати яких опубліковані 24 квітня 2009 в Physical Review Letters [5], в м'якому рентгенівському діапазоні довжин хвиль при щільності потужності на рівні декількох пета ват (10 15 Вт) на квадратний сантиметр загальноприйнята теоретична модель фотоефекту може виявитися неправильною.

Порівняльні кількісні дослідження різних матеріалів показали, що глибина взаємодії між випромінюванням і речовиною суттєво залежить від структури атомів цієї речовини і кореляції між внутрішніми електронними оболонками. У разі c ксеноном, який використовувався в експериментах, вплив пакета фотонів в короткому імпульсі призводить, по всій видимості, до одночасної емісії безлічі електронів з внутрішніх оболонок. [6]


Примітки

  1. AE Becquerel (1839). "Mmoire sur les effets lectriques produits sous l'influence des rayons solaires". Comptes Rendus 9: 561-567
  2. Л. Н. Добрецов, М. В. Гомоюнова. Емісійна електроніка - www.accel.ru / vt / djvu / Добрецов Л.Н. та ін Емісійна електроніка.djvu. - М .: Наука, 1966. - С. 564.
  3. БСЕ. Стаття "фотовольтаїчної ефект" - slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00084/97000.htm
  4. А. Н. Климов. Ядерна фізика та ядерні реактори. - М .: Вища школа, 1985. - С. 352.
  5. Phys. Rev. Lett. 102, 163 002 (2009): Extreme Ultraviolet Laser Excites Atomic Giant Resonance - link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.163002
  6. Виявлені обмеження класичного фотоефекту для рентгенівського випромінювання | Нанотехнології Nanonewsnet -

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru