1. História objavu fotoelektrického javu
2. Stoletovove zákony
3. Einsteinova rovnica
4. Vnútorný fotoelektrický jav
5. Aplikácia javu fotoelektrického javu
Úvod
Početné optické javy boli dôsledne vysvetlené na základe predstáv o vlnovej povahe svetla. Avšak v koniec XIX– začiatok 20. storočia Boli objavené a študované javy ako fotoelektrický efekt, röntgenové žiarenie, Comptonov jav, žiarenie atómov a molekúl, tepelné žiarenie a iné, ktorých vysvetlenie z vlnového hľadiska sa ukázalo ako nemožné. Vysvetlenie nových experimentálnych faktov bolo získané na základe korpuskulárnych predstáv o povahe svetla. Nastala paradoxná situácia zahŕňajúca použitie úplne opačných fyzikálnych modelov vĺn a častíc na vysvetlenie optické javy. V niektorých javoch svetlo vykazovalo vlnové vlastnosti, v iných - korpuskulárne vlastnosti.
Medzi rôznymi javmi, v ktorých sa prejavuje vplyv svetla na hmotu, dôležité miesto berie fotoelektrický efekt, teda vyžarovanie elektrónov látkou pod vplyvom svetla. Analýza tohto javu viedla k myšlienke svetelných kvánt a zohrala mimoriadne dôležitú úlohu vo vývoji moderných teoretických konceptov. Fotoelektrický efekt sa zároveň využíva vo fotočlánkoch, ktoré našli mimoriadne široké uplatnenie v rôznych oblastiach vedy a techniky a sľubujú ešte bohatšie vyhliadky.
História objavu fotoelektrického javu
Objav fotoelektrického javu by sa mal pripísať roku 1887, keď Hertz zistil, že osvetlenie elektród nabitého iskriska ultrafialovým svetlom uľahčuje prechod iskry medzi nimi.
Hertzom objavený jav je možné pozorovať v nasledujúcom ľahko realizovateľnom experimente (obr. 1).
Veľkosť iskriska F sa volí tak, že v obvode pozostávajúcom z transformátora T a kondenzátora C ťažko prejde iskra (raz alebo dvakrát za minútu). Ak sa elektródy F, vyrobené z čistého zinku, rozsvietia svetlom ortuťovej výbojky Hg, potom sa výrazne uľahčí vybitie kondenzátora: začne preskakovať iskra Obr. 1. Schéma Hertzovho experimentu.
Fotoelektrický efekt vysvetlil v roku 1905 Albert Einstein (za čo získal a Nobelova cena) na základe hypotézy Maxa Plancka o kvantovej povahe svetla. Einsteinova práca obsahovala dôležitú novú hypotézu - ak Planck navrhol, že svetlo je vyžarované iba v kvantovaných častiach, potom už Einstein veril, že svetlo existuje iba vo forme kvantových častí. Z myšlienky svetla ako častíc (fotónov) okamžite vyplýva Einsteinov vzorec pre fotoelektrický efekt:
kde je kinetická energia emitovaného elektrónu, je pracovná funkcia pre tejto látky, je frekvencia dopadajúceho svetla, je Planckova konštanta, ktorá sa ukázala byť úplne rovnaká ako v Planckovom vzorci pre žiarenie čierneho telesa.
Tento vzorec naznačuje existenciu červenej hranice fotoelektrického javu. Výskum fotoelektrického javu bol teda jednou z úplne prvých kvantovomechanických štúdií.
Stoletovove zákony
Prvýkrát (1888–1890), podrobne analyzujúc fenomén fotoelektrického javu, ruský fyzik A.G. Stoletov dosiahol zásadne dôležité výsledky. Na rozdiel od predchádzajúcich výskumníkov vzal malý potenciálny rozdiel medzi elektródami. Schéma Stoletovho experimentu je znázornená na obr. 2.
Dve elektródy (jedna vo forme mriežky, druhá - plochá), umiestnené vo vákuu, sú pripevnené k batérii. Na meranie výsledného prúdu sa používa ampérmeter zapojený do obvodu. Stoletov ožiarením katódy svetlom rôznych vlnových dĺžok dospel k záveru, že najefektívnejší účinok majú ultrafialové lúče. Okrem toho sa zistilo, že sila prúdu generovaného svetlom je priamo úmerná jeho intenzite.
V roku 1898 Lenard a Thomson použili metódu vychyľovania nábojov v elektrických a magnetické polia určil špecifický náboj nabitých častíc vyvrhnutých z obr. 2. Schéma Stoletovho experimentu.
svetlo z katódy a prijal výraz
jednotky SGSE s/g, čo sa zhoduje so známym špecifickým nábojom elektrónu. Z toho vyplývalo, že pod vplyvom svetla sa z katódovej látky vymrštili elektróny.
Zhrnutím získaných výsledkov sa zistilo nasledovné vzory fotoefekt:
1. Pri konštantnom spektrálnom zložení svetla je sila saturačného fotoprúdu priamo úmerná svetelnému toku dopadajúcemu na katódu.
2. Počiatočná kinetická energia elektrónov vyvrhnutých svetlom rastie lineárne so zvyšujúcou sa frekvenciou svetla a nezávisí od jeho intenzity.
3. Fotoelektrický efekt nenastane, ak je frekvencia svetla menšia ako určitá hodnota charakteristická pre každý kov, nazývaná červený limit.
Prvú zákonitosť fotoelektrického javu, ako aj samotný výskyt fotoelektrického javu, možno ľahko vysvetliť na základe zákonov klasickej fyziky. Svetelné pole, ktoré pôsobí na elektróny vo vnútri kovu, skutočne vyburcuje ich vibrácie. Amplitúda vynútených kmitov môže dosiahnuť takú hodnotu, pri ktorej elektróny opúšťajú kov; potom sa pozoruje fotoelektrický jav.
Vzhľadom na to, že podľa klasickej teórie je intenzita svetla priamo úmerná druhej mocnine elektrického vektora, počet vyvrhnutých elektrónov rastie so zvyšujúcou sa intenzitou svetla.
Druhý a tretí zákon fotoelektrického javu nie sú vysvetlené zákonmi klasickej fyziky.
Štúdiom závislosti fotoprúdu (obr. 3), ktorý vzniká pri ožiarení kovu prúdom monochromatického svetla, od rozdielu potenciálov medzi elektródami (táto závislosť sa zvyčajne nazýva voltampérová charakteristika fotoprúdu), bolo zistené, že: 1) fotoprúd sa vyskytuje nielen pri, ale aj pri; 2) fotoprúd sa líši od nuly po záporný potenciálny rozdiel presne definovaný pre daný kov, takzvaný retardačný potenciál; 3) veľkosť blokovacieho (oneskoreného) potenciálu nezávisí od intenzity dopadajúceho svetla; 4) fotoprúd sa zvyšuje s klesajúcou absolútnou hodnotou retardačného potenciálu; 5) veľkosť fotoprúdu sa zväčšuje a od určitej hodnoty sa fotoprúd (tzv. saturačný prúd) stáva konštantným; 6) veľkosť saturačného prúdu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa intenzitou dopadajúceho svetla; 7) hodnota oneskorenia Obr. 3. Charakteristika
potenciál závisí od frekvencie dopadajúceho svetla; fotoprúd
8) rýchlosť elektrónov vyvrhnutých pod vplyvom svetla nezávisí od intenzity svetla, ale závisí len od jeho frekvencie.
Einsteinova rovnica
Fenomén fotoelektrického javu a všetky jeho zákony sú dobre vysvetlené pomocou kvantovej teórie svetla, ktorá potvrdzuje kvantovú povahu svetla.
Ako už bolo poznamenané, Einstein (1905), rozv kvantová teória Planck predložil myšlienku, že nielen emisia a absorpcia, ale aj šírenie svetla sa vyskytuje v častiach (kvantách), ktorých energia a hybnosť:
kde je jednotkový vektor smerovaný pozdĺž vlnového vektora. Aplikácia zákona na fenomén fotoelektrického javu v kovoch úspora energie Einstein navrhol nasledujúci vzorec:
, (1)
kde je pracovná funkcia elektrónu z kovu a je rýchlosť fotoelektrónu. Podľa Einsteina je každé kvantum absorbované len jedným elektrónom a časť energie dopadajúceho fotónu sa vynakladá na vykonávanie pracovnej funkcie kovového elektrónu, zatiaľ čo zvyšná časť odovzdáva elektrónu kinetickú energiu.
Ako vyplýva z (1), fotoelektrický efekt v kovoch môže nastať iba pri , inak bude energia fotónu nedostatočná na vytrhnutie elektrónu z kovu. Najnižšia frekvencia svetla, pod vplyvom ktorej dochádza k fotoelektrickému javu, je určená samozrejme z podmienok
Frekvencia svetla určená podmienkou (2) sa nazýva „červená hranica“ fotoelektrického javu. Slovo "červená" nemá nič spoločné s farbou svetla, pri ktorej dochádza k fotoelektrickému javu. V závislosti od typu kovu môže „červený okraj“ fotoelektrického efektu zodpovedať červenému, žltému, fialovému, ultrafialovému svetlu atď.
Pomocou Einsteinovho vzorca možno vysvetliť ďalšie zákonitosti fotoelektrického javu.
Predpokladajme, že medzi anódou a katódou je brzdný potenciál. Ak je kinetická energia elektrónov dostatočná, potom po prekonaní brzdného poľa vytvoria fotoprúd. Na fotoprúde sa podieľajú tie elektróny, pre ktoré je podmienka splnená 
. Veľkosť retardačného potenciálu sa určí z podmienky
, (3)
kde - maximálna rýchlosť vyvrhnuté elektróny. Ryža. 4.
Dosadením (3) do (1) dostaneme
Veľkosť retardačného potenciálu teda nezávisí od intenzity, ale závisí len od frekvencie dopadajúceho svetla.
Pracovnú funkciu elektrónov z kovu a Planckovu konštantu je možné určiť vynesením grafu ako funkcie frekvencie dopadajúceho svetla (obr. 4). Ako vidíte, segment odrezaný od potenciálnej osi dáva .
Vzhľadom na to, že intenzita svetla je priamo úmerná počtu fotónov, zvýšenie intenzity dopadajúceho svetla vedie k zvýšeniu počtu vyvrhnutých elektrónov, teda k zvýšeniu fotoprúdu.
Einsteinov vzorec pre fotoelektrický efekt v nekovoch má tvar
.
Prítomnosť práce na odstránenie viazaného elektrónu z atómu vo vnútri nekovov sa vysvetľuje skutočnosťou, že na rozdiel od kovov, kde sú voľné elektróny, v nekovoch sú elektróny v stave viazanom na atómy. Je zrejmé, že keď svetlo dopadá na nekovy, časť svetelnej energie sa minie na fotoelektrický efekt v atóme - na oddelenie elektrónu od atómu a zvyšná časť sa vynaloží na pracovnú funkciu elektrónu a odovzdanie kinetickej energie elektrónu.
Vodivé elektróny spontánne neopúšťajú kov v značnom množstve. Vysvetľuje to skutočnosť, že kov pre nich predstavuje potenciálnu dieru. Iba tie elektróny, ktorých energia je dostatočná na prekonanie potenciálnej bariéry prítomnej na povrchu, sú schopné opustiť kov. Sily spôsobujúce túto bariéru majú nasledujúci pôvod. Náhodné odstránenie elektrónu z vonkajšej vrstvy kladných iónov mriežky má za následok výskyt prebytočného kladného náboja v mieste, kde elektrón odišiel. Coulombova interakcia s týmto nábojom núti elektrón, ktorého rýchlosť nie je príliš vysoká, vrátiť sa späť. Jednotlivé elektróny teda neustále opúšťajú povrch kovu, vzďaľujú sa od neho na niekoľko medziatómových vzdialeností a potom sa vracajú späť. Výsledkom je, že kov je obklopený tenkým oblakom elektrónov. Tento oblak spolu s vonkajšou vrstvou iónov tvorí elektrickú dvojvrstvu (obr. 5; kruhy sú ióny, čierne bodky sú elektróny). Sily pôsobiace na elektrón v takejto vrstve smerujú do kovu. Práca vykonaná proti týmto silám pri prenose elektrónu z kovu smerom von vedie k zvýšeniu potenciálnej energie elektrónu (obr. 5).
Potenciálna energia valenčných elektrónov vo vnútri kovu je teda menšia ako mimo kovu o množstvo rovnajúce sa hĺbke potenciálovej jamy (obr. 6). K zmene energie dochádza v dĺžke rádovo niekoľkých medziatómových vzdialeností, takže steny studne možno považovať za vertikálne.
Potenciálna energia elektrónu Obr. 6.
a potenciál bodu, v ktorom sa nachádza elektrón, majú opačné znamienka. Z toho vyplýva, že potenciál vo vnútri kovu je o niečo väčší ako potenciál v bezprostrednej blízkosti jeho povrchu.
Prebytočný kladný náboj kovu zvyšuje potenciál na povrchu aj vo vnútri kovu. Potenciálna energia elektrónu sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje (obr. 7, a).
Hodnoty potenciálu a potenciálnej energie v nekonečne sa berú ako referenčný bod. Správa o zápornom náboji znižuje potenciál vnútri aj mimo kovu. V súlade s tým sa zvyšuje potenciálna energia elektrónu (obr. 7, b).
Celková energia elektrónu v kove pozostáva z potenciálnej a kinetickej energie. Pri absolútnej nule sa hodnoty kinetickej energie vodivých elektrónov pohybujú od nuly po energetickú hladinu zhodnú s Fermiho hladinou. Na obr. 8 sú energetické hladiny vodivého pásma vpísané do potenciálovej studne (prerušovaná čiara ukazuje hladiny neobsadené pri 0K). Na odstránenie z kovu musia mať rôzne elektróny rôzne energie. Elektrón, ktorý sa nachádza na najnižšej úrovni vodivého pásma, teda musí dostať energiu; pre elektrón umiestnený na Fermiho hladine je dostatok energie 
.
Minimálna energia, ktorá musí byť odovzdaná elektrónu, aby ho odobral z pevnej látky resp tekuté telo do vákua sa nazýva pracovná funkcia. Pracovná funkcia elektrónu z kovu je určená výrazom
Tento výraz sme získali za predpokladu, že teplota kovu je 0K. Pri iných teplotách je pracovná funkcia tiež definovaná ako rozdiel medzi hĺbkou potenciálnej studne a Fermiho hladinou, t.j. definícia (4) je rozšírená na akúkoľvek teplotu. Rovnaká definícia platí pre polovodiče.
Fermiho hladina závisí od teploty. Navyše v dôsledku zmeny priemerných vzdialeností medzi atómami v dôsledku tepelnej rozťažnosti sa hĺbka potenciálnej studne mierne mení. Výsledkom je, že pracovná funkcia je mierne závislá od teploty.
Pracovná funkcia je veľmi citlivá na stav kovového povrchu, najmä na jeho čistotu. Po správnom výbere Obr. 8.
povrchový náter, môže byť pracovná funkcia značne znížená. Napríklad nanesenie vrstvy oxidu kovu alkalických zemín (Ca, Sr, Ba) na povrch volfrámu znižuje pracovnú funkciu zo 4,5 eV (pre čisté W) na 1,5 – 2 eV.
Vnútorný fotoelektrický efekt
Vyššie sme hovorili o uvoľňovaní elektrónov z osvetleného povrchu látky a ich prechode do iného prostredia, najmä do vákua. Táto emisia elektrónov sa nazýva fotoelektrónová emisia a samotný fenomén vonkajší fotoefekt. Spolu s ním vzniká aj tzv vnútorný fotoelektrický efekt, v ktorom na rozdiel od vonkajšieho zostávajú opticky excitované elektróny vo vnútri osvetleného telesa bez toho, aby narušili jeho neutralitu. V tomto prípade sa mení koncentrácia nosičov náboja alebo ich pohyblivosť v látke, čo vedie k zmene elektrických vlastností látky pod vplyvom svetla dopadajúceho na ňu. Vnútorný fotoelektrický efekt je vlastný iba polovodičom a dielektrikám. Dá sa zistiť najmä zmenami vodivosti homogénnych polovodičov pri osvetlení. Na základe tohto javu - fotovodivosť vytvárali a neustále zdokonaľovali veľká skupina prijímače svetla - fotoodpory. Používajú najmä selenid a sulfid kadmia.
V nehomogénnych polovodičoch sa spolu so zmenou vodivosti pozoruje aj vznik rozdielu potenciálov (foto - emf). Tento jav (fotogalvanický efekt) je spôsobený tým, že v dôsledku homogénnosti vodivosti polovodičov dochádza v objeme vodiča k priestorovej separácii opticky excitovaných elektrónov nesúcich záporný náboj a mikrozón (dier), ktoré vznikajú v v bezprostrednej blízkosti atómov, z ktorých elektróny vyšli, a ako častice nesúce kladný elementárny náboj. Elektróny a diery sú sústredené na rôznych koncoch polovodiča, čo má za následok elektromotorická sila, vďaka čomu sa generuje bez aplikácie externého emf. elektrický prúd v záťaži zapojenej paralelne s osvetleným polovodičom. Týmto spôsobom sa dosiahne priama premena svetelnej energie na elektrickú energiu. Z tohto dôvodu sa fotovoltaické svetelné prijímače používajú nielen na záznam svetelných signálov, ale aj v elektrických obvodoch ako zdroje elektrickej energie.
Hlavné priemyselne vyrábané typy takýchto prijímačov sú na báze selénu a sulfidu strieborného. Veľmi rozšírený je aj kremík, germánium a množstvo zlúčenín – GaAs, InSb, CdTe a iné. Fotovoltaické články používané na konverziu slnečná energia do elektrických, sa stali obzvlášť široko používanými vo vesmírnom výskume ako zdroje energie na palube. Majú relatívne vysoký koeficient užitočná akcia(až 20%), veľmi pohodlné v podmienkach autonómneho letu kozmická loď. V modernom solárne články v závislosti od polovodičového materiálu foto - emf. dosahuje 1 - 2 V, odber prúdu od niekoľkých desiatok miliampérov a na 1 kg hmotnosti výstupný výkon dosahuje stovky wattov.
Ukazuje jednoduchú skúsenosť. Ak je záporne nabitá zinková platňa pripojená k elektroskopu (zariadeniu, ktoré ukazuje prítomnosť elektrický náboj), osvetlite svetlom ultrafialovej lampy, potom veľmi rýchlo prejde ihla elektroskopu do nulového stavu. To naznačuje, že náboj z povrchu dosky zmizol. Ak sa rovnaký experiment vykoná s kladne nabitou doskou, ihla elektroskopu sa vôbec nevychýli. Tento experiment prvýkrát uskutočnil v roku 1888 ruský fyzik Alexander Grigorievich Stoletov.
Alexander Grigorievič Stoletov
Čo sa stane s látkou, keď na ňu dopadne svetlo?
Vieme, že svetlo je elektromagnetické žiarenie, prúd kvantových častíc – fotónov. Keď elektromagnetické žiarenie dopadá na kov, časť z neho sa odráža od povrchu a časť je absorbovaná povrchovou vrstvou. Keď je fotón absorbovaný, odovzdáva svoju energiu elektrónu. Po prijatí tejto energie elektrón pracuje a opúšťa povrch kovu. Doska aj elektrón majú záporný náboj, takže sa navzájom odpudzujú a elektrón je vymrštený z povrchu.
Ak je platňa kladne nabitá, záporný elektrón vyrazený z povrchu ňou bude opäť priťahovaný a neopustí jej povrch.
História objavovania
Fenomén fotoelektrického javu bol objavený v r začiatkom XIX storočí.
V roku 1839 francúzsky vedec Alexandre Edmond Becquerel pozoroval fotovoltaický efekt na rozhraní kovovej elektródy a kvapaliny (elektrolytu).
Alexander Edmond Becquerel
V roku 1873 anglický elektrotechnik Smith Willoughby zistil, že ak je selén vystavený elektromagnetickému žiareniu, mení sa jeho elektrická vodivosť.
Nemecký fyzik Heinrich Hertz si v roku 1887 pri vykonávaní pokusov o štúdiu elektromagnetických vĺn všimol, že nabitý kondenzátor sa vybíja oveľa rýchlejšie, ak sú jeho platne osvetlené ultrafialovým žiarením.
Heinrich Hertz
V roku 1888 nemecký experimentálny fyzik Wilhelm Galwachs zistil, že keď je kov ožiarený krátkovlnným ultrafialovým žiarením, kov stráca svoj negatívny náboj, to znamená, že sa pozoruje fenomén fotoelektrického javu.
Obrovský príspevok k štúdiu fotoelektrického javu priniesol ruský fyzik Alexander Grigorievich Stoletov, ktorý v rokoch 1888-1890 uskutočnil podrobné experimenty so štúdiom fotoelektrického javu. Na to navrhol špeciálne zariadenie, pozostávajúce z dvoch paralelných diskov. Jeden z týchto diskov katóda, vyrobený z kovu, bol vo vnútri sklenenej vitríny. Ďalší disk anóda, zastúpená kovová sieťka, aplikovaný na vyrobený z kremenné sklo koniec tela. Kremenné sklo si vedec nevybral náhodou. Faktom je, že prenáša všetky typy svetelných vĺn, vrátane ultrafialové žiarenie. Bežné sklo blokuje ultrafialové žiarenie. Z krytu bol odčerpaný vzduch. Na každý z diskov bolo privedené napätie: záporné na katódu, kladné napätie na anódu.
Stoletova skúsenosť
Počas experimentov vedec osvetlil katódu cez sklo červeným, zeleným, modrým a ultrafialovým svetlom. Veľkosť prúdu zaznamenával galvanometer, v ktorom bolo hlavným prvkom zrkadlo. V závislosti od veľkosti fotoprúdu bolo zrkadlo vychýlené o iný uhol. Najväčší účinok mali ultrafialové lúče. A čím viac ich bolo v spektre, tým silnejší bol dopad svetla.
Stoletov zistil, že pod vplyvom svetla sa uvoľňujú iba záporné náboje.
Katóda bola vyrobená z rôzne kovy. Najcitlivejšie na svetlo boli kovy ako hliník, meď, zinok, striebro a nikel.
V roku 1898 sa zistilo, že záporné náboje uvoľnené počas fotoelektrického javu sú elektróny.
A v roku 1905 Albert Einstein vysvetlil fenomén fotoelektrického javu ako špeciálny prípad zákon zachovania a premeny energie.
Vonkajší fotoefekt
Vonkajší fotoefekt
Proces opúšťania elektrónov z látky pod vplyvom elektromagnetického žiarenia sa nazýva vonkajší fotoefekt, alebo fotoelektrónová emisia. Elektróny emitované z povrchu sa nazývajú fotoelektróny. Podľa toho sa nazýva elektrický prúd, ktorý vzniká pri ich usporiadanom pohybe fotoprúd.
Prvý zákon fotoelektrického javu
Sila fotoprúdu je priamo úmerná hustote svetelného toku. Čím vyššia je intenzita žiarenia, tým viac elektróny budú vyrazené z katódy za 1 s.
Intenzita svetelného toku je úmerná počtu fotónov. So zvyšujúcim sa počtom fotónov sa zvyšuje počet elektrónov, ktoré opúšťajú povrch kovu a vytvárajú fotoprúd. V dôsledku toho sa prúd zvyšuje.
Druhý zákon fotoelektrického javu
Maximálna kinetická energia elektrónov vyvrhnutých svetlom rastie lineárne s frekvenciou svetla a nezávisí od jeho intenzity.
Energia fotónu dopadajúceho na povrch sa rovná:
E = h v ,Kde ν - frekvencia dopadajúceho fotónu; h - Planckova konštanta.
Po prijatí energie E , elektrón vykonáva pracovnú funkciu φ . Zvyšok energie je kinetická energia fotoelektrónu.
Zákon zachovania energie predpokladá nasledujúcu rovnosť:
h·ν=φ + W e , Kde W e - maximálna kinetická energia elektrónu v okamihu odchodu z kovu.
h·ν=φ + m v 2/2
Tretí zákon fotoelektrického javu
Pre každú látku existuje červený limit fotoelektrického javu, teda minimálna frekvencia svetla νmin(alebo maximálna vlnová dĺžka λ max), pri ktorom je ešte možný fotoelektrický efekt, a ak ν˂ ν min, potom už k fotoelektrickému javu nedochádza.
Fotoelektrický efekt sa objavuje od určitej frekvencie svetla νmin . Pri tejto frekvencii tzv "červený" okraj fotoelektrického javu začína emisia elektrónov.
h ν min = φ .
Ak je frekvencia fotónov nižšia νmin , jeho energia nebude stačiť na „vyrazenie“ elektrónu z kovu.
Vnútorný fotoelektrický efekt
Ak vplyvom žiarenia elektróny stratia spojenie so svojimi atómami, ale neopustia pevné a kvapalné polovodiče a dielektrika, ale zostanú v nich ako voľné elektróny, potom sa tento fotoelektrický jav nazýva vnútorný. V dôsledku toho sa elektróny prerozdeľujú pozdĺž energetické stavy. Mení sa koncentrácia nosičov náboja a a fotovodivosť(zvýšená vodivosť pri vystavení svetlu).
Vnútorný fotoelektrický efekt tiež zahŕňa fotoelektrický efekt ventilu, alebo fotoelektrický efekt v bariérovej vrstve. K tomuto fotoelektrickému javu dochádza, keď pod vplyvom svetla elektróny opustia povrch telesa a presunú sa do iného kontaktného telesa - polovodiča alebo elektrolytu.
Aplikácia fotoelektrického javu
Všetky zariadenia, ktorých princíp činnosti je založený na fotoelektrickom jave, sa nazývajú fotobunky. Prvou fotobunkou na svete bolo Stoletovovo zariadenie, ktoré vytvoril na vykonávanie experimentov na štúdium fotoelektrického javu.
Fotobunky sú široko používané vo väčšine rôzne zariadenia v automatizácii a telemechanike. Bez fotobuniek nie je možné ovládať stroje počítačového numerického riadenia (CNC), ktoré dokážu bez ľudského zásahu vytvárať diely podľa výkresov. S ich pomocou sa zvuk číta z filmu. Sú súčasťou rôznych ovládacích zariadení a pomáhajú zastaviť a zablokovať zariadenie v správnom čase. Pomocou fotobuniek pouličného osvetlenia zapína sa za súmraku a vypína sa za úsvitu. Pomáhajú ovládať turnikety v metre a majáky na súši a spúšťajú závoru, keď sa vlak blíži k priecestiu. Používajú sa v ďalekohľadoch a solárne poháňané.
teória
Fotoelektrický jav je vyvrhnutie elektrónov z látky pod vplyvom svetla. V kove sa elektrón voľne pohybuje, ale keď opustí povrch, samotný kov sa nabije kladným nábojom a zabráni mu v odchode. Preto, aby elektrón opustil kov, musí mať dodatočnú energiu v závislosti od látky. Táto energia sa nazýva pracovná funkcia.
Ak chcete študovať fotoelektrický efekt, môžete zostaviť zostavu znázornenú na obr. 1. Pozostáva zo skleneného valca, z ktorého bol odčerpaný vzduch. Okno, cez ktoré dopadá svetlo, je vyrobené z kremenného skla, ktoré prepúšťa viditeľné a ultrafialové lúče. Vo vnútri valca sú prispájkované dve elektródy: jedna z nich, katóda, je osvetlená cez okienko. Medzi elektródami vytvára zdroj elektrické pole, ktoré spôsobuje pohyb fotoelektrónov z katódy na anódu.
pohybujúce sa elektróny tvoria elektrický prúd (fotoprúd). Pri zmene napätia sa mení prúd. Graf závislosti ja od U- prúdovo-napäťová charakteristika - znázornená na obr. 2. Pri nízkych napätiach nie všetky elektróny vyvrhnuté z katódy dosiahnu anódu, keď sa napätie zvyšuje, ich počet sa zvyšuje. 
Pri určitom napätí všetky elektróny vyvrhnuté svetlom dosiahnu anódu, potom sa vytvorí saturačný prúd Ja n, s ďalším zvýšením napätia sa prúd nemení.
Keď sa intenzita dopadajúceho žiarenia zvyšuje, pozoruje sa nárast saturačného prúdu úmerný počtu vyrazených elektrónov. 1. zákon fotoelektrického javu hovorí, že počet elektrónov vyvrhnutých svetlom z povrchu kovu je úmerný absorbovanej energii svetelnej vlny.
Na meranie kinetickej energie elektrónov je potrebné zmeniť polaritu zdroja prúdu. Na grafe tento prípad zodpovedá časti v U, pri ktorej fotoprúd klesne na nulu. Teraz pole nezrýchľuje, ale spomaľuje fotoelektróny. Pri určitom napätí, nazývanom oneskorenie U 3, fotoprúd zmizne. V tomto prípade pole zastaví všetky elektróny, potom ich pole vráti na bývalú katódu, tak ako kameň hodený nahor zastaví gravitačné pole Zeme a vráti sa späť na Zem.
Práca síl elektrického poľa A = qU 3, vynaložené na brzdenie elektrónu, sa rovná zmene kinetickej energie elektrónu, tj m v 2/2 = qU 3, Kde m- hmotnosť elektrónu, v - jeho rýchlosť, q- poplatok. Teda meraním napätia oneskorenia U 3, definujeme maximálnu kinetickú energiu. Ukázalo sa, že maximálna kinetická energia elektrónov nezávisí od intenzity svetla, ale len od frekvencie. Toto tvrdenie sa nazýva 2. zákon fotoelektrického javu.
Pri určitej medznej frekvencii svetla, ktorá závisí od konkrétnej látky a pri nižších frekvenciách sa fotoelektrický efekt nepozoruje. Táto medzná frekvencia sa nazýva „červená“ medzná hodnota fotoelektrického efektu.
A. Einstein vysvetlil zákony fotoelektrického javu v roku 1905. Použil Planckovu myšlienku o kvantovej povahe svetla. Energia jedného kvanta svetla E = hν. Ak predpokladáme, že jedno kvantum svetla vyvrhne jeden elektrón, potom energia kvanta E ide vykonávať pracovnú funkciu elektrónu A a sprostredkovať mu kinetickú energiu mv 2 /2. Teda
hν = A + mv2/2.
Táto rovnica sa nazýva Einsteinova rovnica pre fotoelektrický jav.
Vysvetlime si 1. zákon fotoelektrického javu z hľadiska Einsteinových predstáv. Ak jedno kvantum energie vyvrhne jeden elektrón, tak čím viac kvánt látka absorbuje (čím väčšia je intenzita svetla), tým viac elektrónov sa z látky vymrští.
Vysvetlime si druhý zákon fotoelektrického javu. Pracovná funkcia A závisí od typu látky a nezávisí od frekvencie svetla. Kinetická energia elektrónu vyvrhnutého z hmoty je mv 2 /2 = h - A závisí od frekvencie svetla ν : Čím vyššia je frekvencia, tým viac kinetickej energie elektrón dostane. Intenzita svetla neovplyvňuje kinetickú energiu elektrónu, pretože Einsteinova rovnica popisuje energiu jedného elektrónu. Bez ohľadu na to, koľko elektrónov je emitovaných, rýchlosť každého z nich závisí od frekvencie.
Einsteinov vzorec tiež vysvetľuje skutočnosť, že svetlo danej frekvencie môže odstrániť elektrón z jednej látky, ale nie z inej. Pre každú látku sa fotoelektrický efekt pozoruje, ak je energia svetelného kvanta väčšia alebo v extrémnych prípadoch rovná pracovnej funkcii ( hν ≥ A). Limitná frekvencia, pri ktorej je ešte možný fotoelektrický efekt, je v min = A/h. Toto je frekvencia, pri ktorej sú elektróny vyvrhované bez toho, aby im odovzdali kinetickú energiu - frekvenciu „červeného limitu“ fotoelektrického efektu.
Napíšme Einsteinovu rovnicu pre prípad, keď sa kinetická energia elektrónu svojou veľkosťou rovná práci síl elektrického poľa, teda pri retardačnom napätí:
hν = A + qU 3.
Odtiaľto U3 = -A/q + (h/q)v.
Nakreslíme si závislosť oneskorenia napätia od frekvencie (obr. 3). Zo vzorca je zrejmé, že závislosť U 3 od ν je lineárny. Tangenta sklonu grafu:
tan a = AU3/Aν = h/q.
Preto Planckova konštanta:
h = qtg a = q AU3/Aν.
Tento vzorec sa používa na experimentálne stanovenie Planckova konštanta.
Fotoelektrický efekt je jav elektrónov vyžarujúcich svetlo z kovu (vonkajšie)
Fotoelektrický jav je emisia elektrónov látkou pod vplyvom svetla (alebo akéhokoľvek iného elektromagnetického žiarenia). V kondenzovaných látkach (pevných a kvapalných) dochádza k vonkajšiemu a vnútornému fotoelektrickému javu.
Vonkajší fotoelektrický jav (emisia fotoelektrónov) je emisia elektrónov látkou pod vplyvom elektromagnetického žiarenia. Elektróny emitované z látky počas vonkajšieho fotoelektrického javu sa nazývajú fotoelektróny a nimi generovaný elektrický prúd počas usporiadaného pohybu vo vonkajšom elektrické pole, sa nazýva fotoprúd.
Vnútorný fotoelektrický jav je prerozdelenie elektrónov medzi energetickými stavmi v tuhých a kvapalných polovodičoch a dielektrikách, ku ktorému dochádza vplyvom žiarenia. Prejavuje sa zmenou koncentrácie nosičov náboja v médiu a vedie k vzniku fotovodivosti alebo hradlového fotoelektrického efektu.
Fotovodivosť je zvýšenie elektrickej vodivosti látky pod vplyvom žiarenia.
Fotoelektrický efekt brány je typ vnútorného fotoelektrického javu - ide o výskyt emf (foto emf) pri osvetlení kontaktu dvoch rôznych polovodičov alebo polovodiča a kovu (pri absencii vonkajšieho elektrického poľa). Fotoelektrický efekt ventilu otvára cestu priamej premene slnečnej energie na elektrickú energiu.
Viacfotónový fotoelektrický efekt je možný, ak je intenzita svetla veľmi vysoká (napríklad pri použití laserových lúčov). V tomto prípade môže elektrón emitovaný kovom súčasne prijímať energiu nie z jedného, ale z niekoľkých fotónov.
Stoletovove zákony
Prvý zákon
Skúmanie závislosti prúdu vo valci na konštantnom napätí medzi elektródami svetelný tok na jednom z nich stanovil prvý zákon fotoelektrického javu.
Saturačný fotoprúd je úmerný svetelnému toku dopadajúcemu na kov.
Pretože Sila prúdu je určená veľkosťou náboja a svetelný tok je určený energiou svetelného lúča, potom môžeme povedať:
počet elektrónov vyrazených z látky za 1 s je úmerný intenzite svetla dopadajúceho na túto látku.
Druhý zákon
Zmenou svetelných podmienok na tej istej inštalácii objavil A. G. Stoletov druhý zákon fotoelektrického javu: kinetická energia fotoelektrónov nezávisí od intenzity dopadajúceho svetla, ale závisí od jeho frekvencie.
Zo skúseností vyplýva, že ak sa zvýši frekvencia svetla, tak pri konštantnom svetelnom toku sa zvýši blokovacie napätie a následne sa zvýši aj kinetická energia fotoelektrónov. Kinetická energia fotoelektrónov teda rastie lineárne s frekvenciou svetla.
Tretí zákon
Nahradením materiálu fotokatódy v zariadení Stoletov stanovil tretí zákon fotoelektrického javu: pre každú látku existuje červený limit fotoelektrického javu, t.j. Existuje minimálna frekvencia nmin, pri ktorej je ešte možný fotoelektrický efekt.
Zákon zachovania energie, ktorý Einstein zapísal pre fotoelektrický jav, je tvrdenie, že energia fotónu získaná elektrónom mu umožňuje opustiť povrch vodiča a dokončiť jeho pracovnú funkciu. Zvyšok energie sa realizuje vo forme kinetickej energie teraz voľného elektrónu
Energia dopadajúceho fotónu sa spotrebuje na elektrón, ktorý vykoná prácu A z kovu a na odovzdanie kinetickej energie mv2max/2 emitovanému fotoelektrónu. Podľa zákona zachovania energie
(203.1)
Rovnica (203.1) sa nazýva Einsteinova rovnica pre vonkajší fotoelektrický jav.
Comptonov efekt
Zmena vlnovej dĺžky svetla pri rozptyle viazanými elektrónmi
RUTHERFORDOVE EXPERIMENTY PLANETÁRNY MODEL ATÓMU
Rutherfordove experimenty. Hmotnosť elektrónov je niekoľko tisíckrát menšia ako hmotnosť atómov. Keďže atóm ako celok je neutrálny, väčšina hmotnosti atómu je v jeho kladne nabitej časti.
Na experimentálne štúdium distribúcie kladného náboja, a teda aj hmotnosti vo vnútri atómu, Ernest Rutherford v roku 1906 navrhol použiť sondovanie atómu pomocou častíc. Tieto častice vznikajú rozpadom rádia a niektorých ďalších prvkov. Ich hmotnosť je približne 8000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu a ich kladný náboj sa rovná dvojnásobku náboja elektrónu. Nie sú to nič iné ako plne ionizované atómy hélia. Rýchlosť častíc je veľmi vysoká: je to 1/15 rýchlosti svetla.
Rutherford bombardoval atómy ťažkých prvkov týmito časticami. Elektróny pre svoju nízku hmotnosť nedokážu citeľne zmeniť dráhu častice, rovnako ako kamienok s hmotnosťou niekoľko desiatok gramov pri zrážke s autom nedokáže výrazne zmeniť svoju rýchlosť.
Planetárny model atómu. Na základe svojich experimentov vytvoril Rutherford planetárny model atóm. V strede atómu je kladne nabité jadro, v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Vo všeobecnosti je atóm neutrálny. Preto sa počet vnútroatómových elektrónov, podobne ako náboj v jadre, rovná atómovému číslu prvku v periodickej tabuľky. Je jasné, že elektróny nemôžu byť v pokoji vo vnútri atómu, pretože by dopadli na jadro. Pohybujú sa okolo jadra, rovnako ako planéty obiehajú okolo Slnka. Tento charakter pohybu elektrónov je určený pôsobením Coulombových príťažlivých síl z jadra.
5. . 6. .
V roku 1900 nemecký fyzik Max Planck navrhol hypotézu: svetlo sa vyžaruje a absorbuje v oddelených častiach - kvantá(alebo fotóny). Energia každého fotónu je určená vzorcom , kde je Planckova konštanta, rovná , je frekvencia svetla. Planckova hypotéza vysvetlila mnohé javy: najmä fenomén fotoelektrického javu, ktorý v roku 1887 objavil nemecký vedec Heinrich Hertz a experimentálne ho študoval ruský vedec Alexander Grigorievič Stoletov.
Fotografický efekt- Ide o jav emisie elektrónov látkou pod vplyvom svetla. Ak nabijete zinkovú platňu pripojenú k elektromeru negatívne a osvetlíte ju elektrickým dúchadlom (obr. 35), elektromer sa rýchlo vybije.
Výsledkom výskumu boli nasledujúce empirické vzorce:
Počet elektrónov vyžiarených svetlom z povrchu kovu za 1 s je priamo úmerný energii svetelnej vlny absorbovanej počas tejto doby;
Maximálna kinetická energia fotoelektrónov rastie lineárne s frekvenciou svetla a závisí od jeho intenzity.
Okrem toho boli stanovené dve základné vlastnosti.
Po prvé, fotoelektrický efekt bez zotrvačnosti: proces začína okamžite v okamihu osvetlenia.
Po druhé, prítomnosť minimálnej frekvenčnej charakteristiky každého kovu - fotografický efekt s červeným okrajom. Táto frekvencia je taká, že keď k fotoelektrickému javu nedochádza pri žiadnej svetelnej energii, a ak , tak fotoelektrický jav začína aj pri nízkej energii.
Teóriu fotoelektrického javu vytvoril nemecký vedec A. Einstein v roku 1905. Einsteinova teória je založená na koncepcii pracovnej funkcie elektrónov z kovu a koncepcii kvantového žiarenia svetla. Podľa Einsteinovej teórie má fotoelektrický efekt nasledovné vysvetlenie: absorbovaním kvanta svetla získava elektrón energiu. Pri odchode z kovu sa energia každého elektrónu zníži o určité množstvo, ktoré je tzv pracovná funkcia(). Pracovná funkcia je práca potrebná na odstránenie elektrónu z kovu. Preto je maximálna kinetická energia elektrónov po emisii (ak nedochádza k iným stratám) rovná: . teda
.
Táto rovnica sa nazýva Einsteinove rovnice.
Zariadenia založené na fotoelektrickom jave sa nazývajú fotobunky. Najjednoduchším takýmto zariadením je vákuová fotobunka. Nevýhody takejto fotobunky sú nízky prúd, nízka citlivosť na dlhovlnné žiarenie, obtiažnosť pri výrobe, nemožnosť použitia v obvodoch AC. Používa sa vo fotometrii na meranie svietivosti, jasu, osvetlenia, v kine na reprodukciu zvuku, vo fototelegrafoch a fotofónoch, pri riadení výrobných procesov.
Existujú polovodičové fotobunky, a v ktorých sa vplyvom svetla mení koncentrácia prúdových nosičov. Používajú sa na automatické ovládanie elektrické obvody(napríklad v turniketoch metra), v obvodoch striedavého prúdu, ako neobnoviteľné zdroje prúdu v hodinkách, mikrokalkulačkách, testujú sa prvé solárne autá, používajú sa v solárnych batériách na umelých družiciach Zeme, medziplanetárnych a orbitálnych automatických staniciach.
Fenomén fotoelektrického javu je spojený s fotochemickými procesmi vyskytujúcimi sa pod vplyvom svetla vo fotografických materiáloch.