Что называют внешним фотоэффектом

Что называют внешним фотоэффектом

Фотоэффект и его виды

Щелкните по ссылке » Квантовые явления в оптике «, чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint.

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны. Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1. Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2. Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с. Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, т.е. замерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона. При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта. Источник Фотоэффект

Принцип неопределённости

Введение Математические основы

Основа Классическая механика · Постоянная Планка · Интерференция · Бра и кет · Гамильтониан Фундаментальные понятия Квантовое состояние · Квантовая наблюдаемая · Волновая функция · Квантовая суперпозиция · Квантовая запутанность · Смешанное состояние · Измерение · Неопределённость · Принцип Паули · Дуализм · Декогеренция · Теорема Эренфеста · Туннельный эффект Эксперименты Опыт Дэвиссона — Джермера · Опыт Поппера · Опыт Штерна — Герлаха · Опыт Юнга · Проверка неравенств Белла · Фотоэффект · Эффект Комптона Формулировки Представление Шрёдингера · Представление Гейзенберга · Представление взаимодействия · Матричная квантовая механика · Интегралы по траекториям · Диаграммы Фейнмана Уравнения Уравнение Шрёдингера · Уравнение Паули · Уравнение Клейна — Гордона · Уравнение Дирака · Уравнение фон Неймана · Уравнение Блоха · Уравнение Линдблада · Уравнение Гейзенберга Интерпретации Копенгагенская · Теория скрытых параметров · Многомировая Развитие теории Квантовая теория поля · Квантовая электродинамика · Теория Глэшоу — Вайнберга — Салама · Квантовая хромодинамика · Стандартная модель · Квантовая гравитация Сложные темы Квантовая теория поля · Квантовая гравитация · Теория всего Известные учёные Планк · Эйнштейн · Шрёдингер · Гейзенберг · Йордан · Бор · Паули · Дирак · Фок · Борн · де Бройль · Ландау · Фейнман · Бом · Эверетт

См. также: Портал:Физика

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ₀ ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.

Содержание

История открытия

В 1839 году Александр Беккерель наблюдал [1] явление фотоэффекта в электролите.

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.

Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), — кинетическая энергия вылетающего электрона, — частота падающего фотона с энергией , h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

Теория Фаулера

<<\nu >_<\min >> \\ \end \right.» border=»0″ />

где , , — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла.

Квантовый выход

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y — число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов. Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней УФ-областях Y 10 эВ.

Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

Фотовольтаический эффект

Ядерный фотоэффект

Современные исследования

См. также

Примечания

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Фотоэффект» в других словарях:

фотоэффект — фотоэффект … Орфографический словарь-справочник

ФОТОЭФФЕКТ — ФОТОЭФФЕКТ, группа явлений, связанных с освобождением электронов твердого тела от внутриатомной связи под действием электромагнитного излучения. Различают: 1) внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия, испускание электронов с поверхности… … Современная энциклопедия

ФОТОЭФФЕКТ — испускание эл нов в вом под действием эл. магн. излучения. Ф. был открыт в 1887 нем. физиком Г. Герцем. Первые фундам. исследования Ф. выполнены А. Г. Столетовым (1888), а затем нем. физиком Ф. Ленардом (1899). Первое теоретич. объяснение законов … Физическая энциклопедия

фотоэффект — сущ., кол во синонимов: 2 • фото эффект (1) • эффект (29) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

фотоэффект — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN photoeffect … Справочник технического переводчика

ФОТОЭФФЕКТ — (1) вентильный возникновение электродвижущей силы (фотоЭДС) между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом под действием электромагнитного излучения; (2) Ф. внешний (фотоэлектронная эмиссия) испускание электронов с … Большая политехническая энциклопедия

фотоэффект — а; м. Физ. Изменение свойств вещества под воздействием световой энергии; фотоэлектрический эффект. * * * фотоэффект явление, связанное с освобождением электронов твёрдого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:… … Энциклопедический словарь

Фотоэффект — испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (Фотонов). Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым (1888). Он установил, что в возникновении фототока в… … Большая советская энциклопедия

фотоэффект — (см. фото. + аффект) физ. изменение электрических свойств вещества под действием электромагнитных излучений (света, ультрафиолетовых, рентгеновских и других лучей), напр, испускание электронов вовне под действием света (внешний ф.), изменение… … Словарь иностранных слов русского языка

Источник

Что такое фотоэффект? Граница фотоэффекта

Кто и когда открыл фотоэффект?

Открытие фотоэффекта в науке имеет длинную историю и связан непосредственно со спорами ученых о природе света. В 1887 году, проводя эксперименты по доказательству существования электромагнитных волн, Генрих Герц открыл явление фотоэффекта. Что такое фотоэффект, Герц объяснить не смог, но полученные «странные» результаты опубликовал. Суть этих результатов заключалась в том, что индуцированная в воздушном зазоре приемника искра имела большую яркость, когда приемник находился на свету, чем когда ученый ставил его в темное помещение.

Годом позже, то есть в 1888 году, русский ученый Александр Столетов провел ряд экспериментов, из которых сделал ряд важных выводов относительно особенностей фотоэффекта. В настоящее время первый закон фотоэффекта носит его фамилию.

Кто разработал теорию наблюдаемого эффекта?

Вам будет интересно: Опыты Столетова и их значение для современного понимания явления фотоэффекта

Сделал это Альберт Эйнштейн в 1905 году, за что в 1921 году получил Нобелевскую премию по физике.

Современное понимание происходящих во время этого эффекта процессов полностью основано на идеях Эйнштейна. Его главной заслугой было признание того, что свет является не только волной, но и проявляет корпускулярные свойства во взаимодействии с материей (это положение известно как корпускулярно-волновой дуализм). В частности, электромагнитная волна распределена в пространстве не равномерно, а состоит из сгустков энергии (квантов), которые впоследствии получили название фотонов. Когда такой фотон падает на материал, то он взаимодействует только с одним электроном какого-либо атома, передавая ему всю свою энергию.

Справедливости ради отметим, что корпускулярная теория была разработана задолго до Эйнштейна в далеком XVII веке, и сделал это Исаак Ньютон. Эйнштейн же не просто возродил идею Ньютона, но включил в нее представления Макса Планка о квантах света с энергией h*v.

Что такое фотоэффект?

Теперь перейдем к непосредственному объяснению процессов на атомном уровне, связанных с рассматриваемым явлением.

Под фотоэффектом понимают вырывание электронов из материала и перевод их в свободное состояние за счет падающего на этот материал света. Происходит это следующим образом: когда фотон попадает на атом вещества, то он взаимодействует с электроном, передавая ему всю свою энергию. За счет этой энергии электрон переходит на более высокие энергетические уровни атома (возбуждение атома). Если величина переданной энергии будет достаточно большой, то электрон сможет оторваться от атома и вылететь в межатомное пространство.

Основные законы фотоэффекта

Благодаря проведенным опытам конца XIX века и разработанной Эйнштейном теории фотоэффекта в начале XX века, можно сформулировать следующие законы для этого явления:

Уравнение Эйнштейна

Разобравшись, что такое фотоэффект, приведем теперь уравнение, которое его описывает:

Из уравнения Эйнштейна следует одна важная вещь: минимальная фотона энергия, фотоэффект при которой еще возможен, будет равна работе выхода электрона:

Частота v0 получила название красной границы для этого физического явления. Поскольку частота фотона связана через скорость света с его длиной волны, фотоэффекта уравнение можно переписать следующим образом:

Для многих металлов работа выхода электрона A лежит в пределах от 2-х до 6-и эВ, этим значениям соответствуют длины волн от 580 до 210 нм (часть видимого и ультрафиолетового спектра).

Понятие о токе насыщения

Рассматривая вопрос, что такое фотоэффект, следует рассказать о токе насыщения. Проделаем следующий эксперимент: возьмем воздушный конденсатор, образованный двумя металлическими пластинами, подсоединим его к электрической цепи и направим на являющуюся катодом пластину монохроматический пучок света определенной интенсивности. Гальванометр покажет, что в цепи появился ток. Теперь будем постепенно увеличивать напряжение между пластинами конденсатора, тогда ток тоже будет увеличиваться до некоторого значения, а затем станет постоянным, независимо от напряжения. Это показано на рисунке ниже.

Объяснить описанный факт можно так: когда свет попадает на катод, то при его постоянной интенсивности и частоте фотоэффект приводит к появлению свободных электронов. Последние, вылетая из металла, двигаются в произвольных направлениях и лишь некоторая их часть попадет на вторую пластину конденсатора. Когда прикладывают потенциал к пластинам, то все больше и больше электронов начинают достигать противоположной пластины. Это увеличение происходит до тех пор, пока все «вырванные» электроны не будут увлечены электрическим полем, то есть наступает насыщение (Iconst.).

Дальнейший рост тока возможен только за счет увеличения интенсивности света (растет число «вырванных» электронов) или за счет увеличения частоты света (растет Ek электронов).

Понятие о тормозящем потенциале

Приведенное выше объяснение происходящих процессов между пластинами конденсатора позволяет сделать вывод, что ток будет существовать, даже если поменять знак потенциалов (облучаемая светом пластина становится анодом). Как только потенциал достигнет такого значения, что «вырванные» электроны с наибольшей энергией будут возвращаться обратно на анод, не достигая катода, тогда ток в цепи прекратится. Этот потенциал называется тормозящим. Он отмечен на предыдущем рисунке символом U0.

Тормозящий потенциал U0 не зависит от интенсивности света и увеличивается при возрастании частоты фотонов.

Источник