ФОТОЭФФЕКТ Внешний фотоэффект Опыты Столетова В 1887

ФОТОЭФФЕКТ

Внешний фотоэффект. Опыты Столетова В 1887 г. Генрих Герц обнаружил, что при облучении УФ-лучами искрового промежутка, находящегося под высоким напряжением, разряд возникает при таком расстоянии между электродами, при котором в отсутствии облучения он не происходит. Влияние излучения на электрические явления называется фотоэлектрическим эффектом или, короче, фотоэффектом

Фотоэффект можно наблюдать на следующем опыте: Если электроскоп заряжен отрицательно, то при облучении его светом от электрической дуги электроскоп разряжается.

Если электроскоп заряжен положительно, то при облучении его заряд не изменяется. Облучение пластинки незаряженного электроскопа создаёт на ней небольшой положительный заряд. На основании подобных опытов было установлено, что под действием излучения не только из металлов, но и других твёрдых тел, жидкостей и газов, вылетают отрицательные заряды. Позже было установлено, что эти заряды являются электронами. Явление вылета электронов из вещества под действием падающего на него излучения называется внешним фотоэффектом.

В 1888 -1890 г. Александр Григорьевич Столетов провёл экспериментальное исследование явления фотоэффекта. Он обнаружил, что высокое напряжение для фотоэффекта несущественно. Медная сетка Дуговой фонарь Zn

Если поменять полярность источника так, чтобы на сетку подавался отрицательный потенциал, а на цинковую пластинку положительный, то излучение от электрической дуги не вызывает тока в цепи. Столетов установил, что фотоэффект создаётся ультрафиолетовыми лучами.

Законы внешнего фотоэффекта. При изучении внешнего фотоэффекта для получения более точных результатов необходимо применять электроды из чистых материалов. А чтобы устранить влияние воздуха на фототок электроды помещают в вакууме. Амперметр Катод Вольтметр Анод

Если при неизменном световом потоке Ф постепенно повышать напряжение, то фототок вначале возрастает, а затем становится постоянным, перестаёт зависеть от напряжения. Это наибольшее значение фототока при неизменном световом потоке называется фототоком насыщения.

Если при неизменной частоте светового излучения изменять величину светового потока, то можно установить первый закон фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему на электрод световому потоку.

При напряжении, равном нулю, фототок не исчезает. Это значит, что падающее на электрод излучение выбивая из него электроны, сообщает им такую кинетическую энергию, которая позволяет им достичь анода и без ускоряющего электрического поля. Чтобы найти эту энергию надо поменять местами полюсы батареи. Тогда электроны будут тормозиться задерживающим электрическим полем.

Постепенно усиливая задерживающее поле, можно совсем прекратить фототок. Даже электроны с максимальной скоростью не смогут преодолеть тормозящее действие поля. Напряжение, при котором полностью прекращается фототок, называется задерживающим напряжением.

В этом случае наибольшая кинетическая энергия электронов равна выполненной ими работе против сил электрического поля на пути от катода до анода: m-масса электрона; е- заряд электрона; -его максимальная скорость; -задерживающее напряжение. Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности излучения, а определяется только его частотой (длиной волны) и материалом катода.

Если на катод поочерёдно направлять различные монохроматические излучения одинаковой интенсивности, то замечается, что с уменьшением частоты излучения (с увеличением длины волны) кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается и при достаточно большой длине волны фотоэффект исчезает. Наименьшая частота (или наибольшая длина волны), при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. ν<ν<ν

Опыты с катодами из различных материалов позволили установить третий закон фотоэффекта: красная граница фотоэффекта определяется только материалом катода и не зависит от интенсивности излучения. Ø При частоте ν = νкр запирающее напряжение равно нулю. Ø При частоте ν < νкр фотоэффект отсутствует.

Квантовая теория фотоэффекта Все попытки объяснить особенности фотоэффекта на основе волновой теории света оказались безуспешными. На основе гипотезы Макса Планка А. Эйнштейн показал, что все законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории света. Планк предполагал, что тело излучает свет в виде определённых и неделимых порций энергии - квантов (фотонов). Энергия кванта пропорциональна частоте световой волны: где -постоянная Планка

А. Эйнштейн в 1905 году доказал, что свет не только излучается квантами, но поглощается квантами. Находящиеся в металле недалеко от поверхности электроны поглощают по одному кванту энергии каждый. Если поглощённая энергия больше работы выхода, то электроны не только могут выйти из металла, но и приобрести кинетическую энергию. Это утверждение Эйнштейна математически выражается уравнением: или, с учётом, что :

Если энергия фотонов меньше работы выхода, то при любой интенсивности излучения электроны вылететь из металла не смогут. Длину волны, соответствующую красной границе фотоэффекта для какого-либо металла, можно найти из уравнения Эйнштейна, приняв кинетическую энергию фотоэлектронов равной нулю: или -наименьшая частота излучения, при которой ещё возникает фотоэффект; -наибольшая длина волны излучения, при которой ещё возникает фотоэффект

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом Фотоэлементами называются приборы, с помощью которых энергия излучения преобразуется в электрическую энергию. Стеклянный баллон (вакуумный или газонаполненный) Анод в виде кольца или диска Устройство фотоэлемента с внешним фотоэффектом Вывод фотокатода Светочувствительный слой (фотокатод) Вывод анода

1 -анод; 2 -миллиамперметр; 3 -фотокатод; 4 - цоколь. Условное изображение фотоэлемента с внешним фотоэффектом

Для получения светочувствительного слоя используют щелочные металлы. Они имеют низкую работу выхода и чувствительны к видимому свету. Изготавливают также фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовому излучению. Применение: для автоматического управления электрическими цепями с помощью сигналов, создаваемых видимым или ультрафиолетовым излучением. Достоинства: они безынерционны, фототок в них изменяется пропорционально световому потоку (что важно для фотометрии). Недостатки: слабый ток, хрупкость, относительная сложность в изготовлении, недостаточная чувствительность к длинноволновому излучению

Внутренний фотоэффект При облучении полупроводников увеличивается концентрация свободных носителей зарядов (электронов и «дырок» ) и, следовательно повышается их проводимость. Генерация свободных носителей зарядов в полупроводнике вследствие его облучения называется внутренним фотоэффектом. Различие между внешним и внутренним фотоэффектом: 1)при внешнем фотоэффекте электроны покидают вещество, а при внутреннем остаются внутри него; 2)внутренний фотоэффект можно вызвать инфракрасным излучением.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом Внутренний фотоэффект используется для превращения энергии излучения в электрическую энергию в полупроводниковых фотоэлементах с р-n-переходом. Вентильный фотоэлемент. 1 -полупроводник (селен); 2 -металл; 3 - тонкая плёнка золота; 4 -контактное кольцо. Между металлом и п/п возникает р-n-переход. Ток идёт от п/п к металлу.

Фотосопротивление (фоторезистор). Фотосопротивлениями называются п/п приборы, сопротивление которых зависит от интенсивности падающих на них света. 1 -изолирующая подложка; 2 - п/проводниковый слой ( сернистый кадмий); 3 -выводы резистора; 4 - защитное лаковое покрытие. При освещении фотосопротивления в слое п/п образуются дополнительные свободные электроны и дырки. В связи с этим его проводимость увеличивается.

Кремниевый фотоэлемент (солнечная батарея) Плёнка кремния р-типа Свет р-n-переход Пластина кремния n-типа При освещении поверхности элемента в плёнке р-типа генерируются пары «электрон-дырка» . Не успев рекомбинировать, вследствие малой толщины плёнки, они попадают в p-n-переход. Под действием поля электроны отбрасываются в n-область, а «дырки» – в р-область. Между электродами возникает э. д. с. (≈0, 5 В).

Использование солнечных батарей