Фотоелектричен ефект - училище по физика

Родословно дърво на Млечния път

физика

Напълно интегриран контрол на нанодиамантите

Малко по-близо до слънцето

Разстояния от звезди

Какво кара звездите да блестят

Еднопосочна улица за електрони

Стотици копия на Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica намерени при ново преброяване

Слънчевата ни система се формира за по-малко от 200 000 години

Здравословно за Марс

Фотоелектричен ефект

Под термина фотоелектричен ефект (също фотоелектричен ефект или кратко Фото ефект) са обобщени три тясно свързани, но различни процеси на взаимодействие на фотоните с материята. И в трите случая електрон става извън връзка - напр. Б. в атом или във валентна лента или в проводимостта на твърдо вещество - разтворено чрез поглъщане на фотон. Енергията на фотона трябва да бъде поне толкова голяма, колкото енергията на свързване на електрона.

Има три вида фотоелектрически ефект:

  • Кога външен фотоелектричен ефект (също Фотоемисия или Хол восъчен ефект) е терминът, използван за описване на освобождаването на електрони от полупроводникова или метална повърхност (виж фотокатода) чрез облъчване. Този ефект е открит през 19 век [1] ​​и за първи път е интерпретиран през 1905 г. от Алберт Айнщайн, където той въвежда термина светлинен квант.
  • The вътрешен фотоелектричен ефект се среща в полупроводници. Има два случая:
    1. Кога Фотопроводимост обозначава увеличаването на проводимостта на полупроводниците чрез образуване на двойки електрон-дупка, които не са свързани помежду си.
    2. Надграждайки върху това, фотоволтаичен ефект превръщането на светлината в електрическа енергия.
  • Под Фотойонизация (също атомен фото ефект) И накрая, човек разбира йонизацията на отделни атоми или молекули чрез облъчване със светлина с достатъчно висока честота.

Външен фотоелектричен ефект

Освобождаването на носители на заряд от гола метална повърхност в електролити от светлина е наблюдавано за първи път през 1839 г. от Александър Едмонд Бекерел в така наречения ефект на Бекерел.

През 1886 г. Хайнрих Херц успява да демонстрира влиянието на ултравиолетовото лъчение (UV) върху металните повърхности в искрена междина. [2] Той забеляза, че ултравиолетовата светлина, излъчвана от „първична искра“ А, увеличава дължината на втора искра В. Дължината на B зависи взаимно от разстоянието между искрите, различни абсорбери за ултравиолетови лъчи (включително тези, които са прозрачни във видимия спектър) намаляват размера на искрата. Херц не успя да докаже, че видимата светлина оказва влияние върху дължината на искрата. Обяснението на тези наблюдения е, че ултравиолетовата светлина избива електроните от електродите на искрената междина, което след това води до проблясък дори при по-ниска сила на електрическото поле, тъй като работната функция не трябва да се използва първо.

Вилхелм Холвахс, тогава помощник на Хайнрих Херц, извърши допълнителни систематични разследвания (оттук и името Хол восъчен ефект). Той показа z. Б. с „електроскоп със златни листа“ (виж фигурата вдясно), че метална плоча може да бъде електрически заредена чрез облъчване с дъгова лампа. [3] [4]

Филип Ленард е първият, който изследва фотоелектричния ефект във висок вакуум. [5] През 1899 г. той успява да определи техния специфичен заряд, като отклонява носителите на заряда в магнитното поле и по този начин ги идентифицира като електрони. Той открива описаните по-долу зависимости от честотата и облъчването. Алберт Айнщайн изнася през 1905 г. в § 8 от своята работа Относно евристична гледна точка относно производството и трансформацията на светлината, за което той получи Нобелова награда за физика през 1921 г., правилното обяснение на ефекта. [6] Робърт Андрюс Миликан успя да потвърди от 1912 до 1915 г. с помощта на метода на противоположното поле (виж по-долу), че коефициентът на пропорционалност на уравнението на Айнщайн е в съответствие с вече известния квант на действие на Планк. [7]

Метод на противоположното поле

Методът на противоположното поле, един от различните методи за измерване на фотоелектрическия ефект, е u. А. полезен за демонстрационни експерименти с външни фотоелектрически ефекти в училища и университети.

Тесен обхват на дължината на вълната се филтрира от светлината на лампа с живачни пари през интерференционен филтър или монохроматор и се свързва (възможно през леща) върху катода (червен на снимката) на вакуумна фотоклетка. Необходим е вакуум, за да се предпази повърхността на фотокатода от окисляване, но преди всичко така, че средният свободен път на излезлите електрони да е достатъчен, за да достигне противоположния, често пръстеновиден анод. Между двата електрода може да се приложи напрежение $ U_0 $, а текущият $ I_ \ mathrm (U_0) $ може да се измери с помощта на чувствителен амперметър. По-подробно описание на експеримента може да се намери напр. Б. в споменатата работа на Миликан [7] или в стаж на сценария. [8-ми]

Ако катодът е облъчен със светлина с достатъчно къса дължина на вълната, електроните се „избиват“ там. Поради своята кинетична енергия $ E_ \ mathrm $, те се придвижват към анода. Фотоклетката се превръща в източник на електричество и течаща Фототок $ I_ \ mathrm (0) $ може да се измери с чувствителен амперметър. Ако сега се приложи противонапрежение $ U_0 $, електроните, които достигат до анода и водят до фототок, трябва да са преодолели генерираното електрическо поле в допълнение към работната функция $ W_K $ от катода.

Напрежението на брояча $ U_0 (f) $, от което не тече повече фототок, може да бъде определено за различни честоти $ f $ на светлината; При това напрежение потенциалната разлика $ E_ \ mathrm = e \ cdot U_0 $, която електроните (електрически заряд $ e $) трябва да преодолеят, е равна на максималната кинетична енергия на електроните $ E_ \ mathrm $ след излизането им от катода. Ако се приеме, че енергията на светлината се прехвърля към електроните само чрез енергийни кванти с енергията $ E = h \ cdot f $ (с константата на действие на Планк $ h $), може да се извлече от наклона на измерената права $ e \ cdot U_0 (f) $ определят кванта на действие $ h $ (виж също Millikan [7]). Работната функция $ W_K $ също може да бъде определена.

Определяне на З. и работната функция

Използвайки примера с цинк (фигура вдясно), наклонът на диаграмата е резултат от триъгълника на наклона

приблизително квантът на действие на Планк. Прихващането на оста y на пунктираната линия съответства на работната функция; в случая на цинк тази стойност се отчита като приблизително (-) 4,3 eV Истинската стойност е 4,34 eV.

Проблеми с интерпретацията в контекста на презентацията на вълната

В току-що описаните експерименти могат да се направят следните наблюдения:

  • Кинетичната енергия на електроните, излизащи от фотокатода, не зависи от облъчването, а от спектралния цвят на светлината, т.е. от нейната дължина на вълната $ \ lambda $ или честота $ f $ .
  • Кинетичната енергия на тези фотоелектрони нараства линейно с честотата на светлината, започвайки от минимална честота.
  • Максималната дължина на вълната или минималната честота, при която току-що излизат електрони, зависи от материала на повърхността на катода, вижте работната функция.
  • Освобождаването на електроните започва практически веднага, когато светлината падне и завършва също толкова бързо след края на облъчването.
  • Фототокът на електроните е пропорционален на радиационния поток, ако всички излъчени електрони са уловени от достатъчно положителен анод.

С изключение на последното наблюдение, всички намерени взаимоотношения противоречат на класическата представа за светлината като феномен на вълната. Според това енергията на вълната зависи единствено от нейната амплитуда, но не и от нейната честота. По този начин кинетичната енергия на електроните ще трябва да намалява с намаляване на облъчването. Тогава ефектът трябва да възникне със закъснение, тъй като преносът на енергия, необходима за освобождаване на електроните, отнема повече време. Вместо минимална честота, би се очаквало, според класическата концепция, че с намаляваща честота се увеличава само времето, докато електронът събере достатъчно светлинна енергия.

Тълкуване и значение на явлението

Физици като Исак Нютон вече бяха предположили, че светлината се състои от частици, така наречените корпускули. Най-късно до края на 19-ти век обаче идеята за светлинните частици се счита за остаряла, тъй като електродинамиката на Максуел разбира светлината като електромагнитна вълна и в съответствие с това интерференционните експерименти несъмнено демонстрират вълновия характер на светлината.

Обяснението на Айнщайн за фотоелектричния ефект от светлинни частици през 1905 г. е смела хипотеза на този фон. Основата е била радикационната хипотеза на Планк от 1900 г., според която светлината се състои от поток от частици, Фотони, чиято енергия $ E $ е продукт на честотата $ f $ на светлината и кванта на действие на Планк $ h $ ($ E = h \ cdot f $). С помощта на това предположение може първо да се обясни връзката между честотата и кинетичната енергия и всички следващи експериментални наблюдения въз основа на това. [6]

Така откритото противоречие, че светлината показва поведение на вълната в някои експерименти, но поведението на частиците в други (дуализъм на вълната и частиците), е разрешено само от квантовата механика. Фотоелектричният ефект е един от ключовите експерименти за установяване на квантовата физика. Айнщайн е отличен с Нобелова награда за физика през 1921 г. за обяснение на ефекта.

С развитието на квантовата теория на светлината през 60-те години беше възможно да се обясни фотоефекта по полукласически начин: класическа електромагнитна вълна взаимодейства с квантувания детектор. Следователно фотоефектът не е ясно доказателство за квантовата природа на светлината.

Приложения

Различни физически устройства, като фотоклетки и фотокатоди на фотоумножители и тръби с преобразуватели на изображения, както и важен повърхностно-физически метод за измерване, фотоелектронна спектроскопия, използват фотоелектричния ефект. За това се използват фотоелектрични методи за измерване.

Вътрешен фотоелектричен ефект

Фотопроводимост

Под фотопроводимост се разбира увеличаване на електрическата проводимост на полупроводникови материали поради образуването на несвързани двойки електрон-дупка по време на облъчването. Електроните се издигат от валентната лента в енергийно по-високата проводимост чрез енергията на фотоните, за която енергията на отделния фотон трябва да съответства поне на лентовата междина на облъчения полупроводник. Тъй като размерът на лентовата междина зависи от материала, максималната дължина на вълната на светлината, до която се получава фотопроводимостта, се различава в зависимост от полупроводника (галиев арсенид: 0,85 μm, германий: 1,8 μm, силиций: 1,1 μm).

Спектрите на фотопроводимост показват зависимостта на електрическата проводимост от енергията (или дължината на вълната) на падащата светлина. Проводимостта се увеличава значително от енергията на ширината на лентата, така че (директната) лента може да бъде определена по този начин. Подробният анализ на такива спектри на фотопроводимост, в комбинация с констатациите от други изследвания, е важна основа за разбиране на лентовата структура на използвания материал (вж. Също лентовия модел).

Ако изследванията се извършват в магнитното поле, могат да се определят допълнителни подробности, които иначе неразривно се припокриват в своите ефекти, но са разделени от магнитното поле. Примери за това са магнитооптичният ефект на Кер и ефектът на Хол, с които може да се определи електронната подвижност.

Монохроматорите се използват за измерване на зависимостта на фотопроводимостта от дължината на вълната. Измерванията обикновено се извършват във вакуум до напр. Б. за избягване на водни ленти (виж инфрачервената спектроскопия) в близката инфрачервена зона или при ниски температури до z. Б. за отделяне на ефектите на магнитното поле от шума.

Фотопроводимостта се намира във фоторезистори, фототранзистори, фотодиоди и CCD сензори (виж също щифт диод и лавинен фотодиод), които се използват при производството на голям брой светлинни сензори.

Във фоторезисторите и други полупроводници носителите на заряд, генерирани от светлина, могат да продължат много дълго време (часове до дни) дори след потъмняване; това се нарича дълготраен фото ефект (PPE за кратко). устойчив фотоефект).

Фототранзисторите съдържат фоточувствителни PN преходи. Те усилват тока, възникващ в тяхната база.

За измервания във видимия и инфрачервения спектрален диапазон фотодиодите обикновено се експлоатират като фотопроводници в квази късо съединение или в обхвата на блокиране - те след това подават ток, който е пропорционален на падащия радиационен поток в продължение на много порядъци.

Устойчива фотопроводимост се наблюдава в монокристалите на стронциев титанат при стайна температура. След излагане концентрацията на свободни електрони се увеличава с два порядъка и остава повишена в продължение на дни. [9]

Фотоволтаичен ефект

Фотоволтаичният ефект се основава и на вътрешния фотоелектричен ефект. Двойките носители на заряд, които възникват в зоната на космическия заряд, т.е.при p-n прехода на фотодиод, са разделени в p- и n-слоеве. Електроните отиват в n-слоя, дупките в p-слоя и се генерира ток спрямо посоката на преминаване. Този ток се нарича фототок.

Фотодиодите с голяма площ (слънчеви клетки) се използват за преобразуване на лъчистата енергия на слънцето в електрическа енергия.

Фотойонизация

Атомите или молекулите са z. Б. лишени от един или повече от своите електрони от газ чрез късовълнова радиация, се говори за Фотойонизация или атомен или молекулярен фото ефект. За това са необходими фотони с много по-високи енергии, отколкото за разхлабване на връзката в твърдо вещество. Те се съдържат в ултравиолетовото, рентгеновото или гама лъчението.

Фотонът се абсорбира и дава своето цял Енергия на електрон, това обикновено се нарича в ядрената физика Фото ефект определен. Това е z. Б. експлоатиран в радиационни детектори. В допълнение, ефектът на Комптън също допринася за фотойонизацията, при която електронът поема само част от енергията, докато останалата енергия се излъчва отново като фотон с по-голяма дължина на вълната.

Напречното сечение $ \ sigma $, т.е. вероятността от възникване на фотойонизация, зависи от енергията на фотона $ E_ \ gamma $ и атомния номер $ Z $ на материала:

$ \ sigma \ propto Z ^ 5E_ \ gamma ^ $

Следователно той е приблизително пропорционален на петата степен на поредния номер. Това означава, че материалите с висок атомен номер абсорбират рентгеновите и гама лъчения особено добре. Следователно оловото ($ Z = 82 $) е по-подходящо за екраниране на рентгенови лъчи, отколкото например алуминият ($ Z = 13 $).

Напречното сечение намалява с увеличаване на фотонната енергия, както показва отрицателната мощност във формулата; Това обаче важи само при условие, че постоянен брой електрони в атома са налични за йонизация. Веднага след като енергията на фотоните достигне енергията на свързване на следващата по-здраво свързана електронна обвивка, напречното сечение скача до съответно по-висока стойност, от която след това постепенно отново намалява с увеличаване на енергията. Това води до характерни структури в абсорбционния спектър, Абсорбционни ръбове. Енергиите на свързване на електроните варират от няколко eV до около 100 keV в елементи с високо атомно число.

Фотойонизацията на въздуха посредством ултравиолетово лъчение от йонизатори се използва за увеличаване на проводимостта му и по този начин за разсейване на електростатичните заряди.

Измерването на проводимостта на въздуха беше използвано за първи път, за да се докаже космическият произход на част от естествената радиоактивност, като се измери по време на изкачвания на балон: космическото излъчване произвежда душове от йонизиращи частици и частично продукти от радиоактивно спалиране.

Съществува и ядрен фотоефект, при който в атомното ядро ​​се абсорбира много енергиен гама квант и с ядрена реакция освобождава неутрон, протон или алфа частица. Това е известно още като (γ, n), (γ, p) или (γ, α) реакция.