35 Фотоэффект

Урок №2/70
Тема №35: «Фотоэлектрический эффект. Опыты А.Г. Столетова. Законы
внешнего фотоэффекта и их объяснение. Уравнение Эйнштейна для
фотоэффекта. Внутренний фотоэффект. Применение фотоэффекта.»
1 Фронтальный опрос по предыдущей теме (см. тему №34)
2 Фотоэлектрический эффект. Опыты А.Г. Столетова.
Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым
электромагнитным излучением.
Различают внешний и внутренний фотоэффект.
Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под
действием падающего на него света.
Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей
заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под
действием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный
фотоэффект — явление возникновения под действием света электродвижущей силы в
контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла.
Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—
1890 гг. А. Г. Столетовым. При исследовании этого явления Столетовым
использовался плоский конденсатор, одна из пластин которого (цинковая) была
сплошной, а вторая — выполнена в виде металлической сетки (рис. 19.2). Сплошная
пластина соединялась с отрицательным полюсом источника тока, а сетчатая — с
положительным. Внутренняя поверхность отрицательно заряженной пластины
конденсатора освещалась светом от электрической дуги, в спектральный состав
которой входят ультрафиолетовые лучи. Пока конденсатор не освещался, тока в цепи
не было. При освещении цинковой пластины К ультрафиолетовыми лучами
гальванометр G фиксировал наличие тока в цепи. В том случае, если катодом
становилась сетка А, тока в цепи не было. Следовательно, цинковая пластина под
действием света испускала отрицательно заряженные частицы,
названные фотоэлектронами.
Рис. 19.2
Столетов проводил опыты с катодами из разных металлов на установке, схема которой
показана на рисунке 19.3.
Рис. 19.3
В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, впаивались два электрода. Внутрь
баллона через кварцевое "окошко", прозрачное для ультрафиолетового излучения,
попадает свет на катод К. Подаваемое на электроды напряжение можно изменять с
помощью потенциометра и измерять вольтметром V. Под действием света катод
испускал электроны, которые замыкали цепь между электродами, и амперметр
фиксировал наличие тока в цепи. Измерив ток и напряжение, можно построить график
зависимости силы фототока от напряжения между электродами
(рис. 19.4).
Из графика следует, что:
1. При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля, что
можно объяснить наличием у фотоэлектронов при вылете кинетической энергии.
2. При некотором значении напряжения между электродами
перестает зависеть от напряжения, т.е. достигает насыщения
сила фототока
Рис. 19.4
3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с
отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны
будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого
отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного
напряжения
(его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается.
3 Законы фотоэффекта
1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально
интенсивности света, падающего на это вещество.
2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего
света, а зависит линейно от его частоты.
3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.
4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла
светом до вылета электронов проходит время
с.
4 Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он
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:
hν = A + mv2/2
где A — работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления
электрона из вещества), mv2/2— 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 не
достаточно 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.
5 Внутренний фотоэффект
Явление внутреннего фотоэффекта можно наблюдать в полупроводниках, где оно
проявляется как изменение сопротивления, а также в р-n-переходах, в которых
происходят различные процессы. Энергия электромагнитного излучения, падающего
на поверхность полупроводника, передается валентным электронам и облегчает их
переход в зону проводимости. Благодаря этому в полупроводнике появляются
дополнительные носители электрического тока, увеличивающие активную
проводимость. Такое явление характерно для многих полупроводников и используется
у селена, соединений олова, кадмия, таллия и др. Так как граничная частота таких
элементов обычно значительно меньше граничной частоты фотокатодов, то
полупроводниковые фоторезисторы особенно пригодны для работы в инфракрасной
области спектра.
Явление внутреннего фотоэффекта, открытое в 1873 г., основано на изменении
электронами энергетического уровня при переходе в зону проводимости под
действием энергии поглощающего излучения.
6 Применение фотоэффекта
Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого
понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она
выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что
она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать
производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.
С помощью фотоэффекта «заговорило» кино, стала возможной передача движущихся
изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило
создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным
чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий
лучше человека, вовремя включают и выключают и уличное освещение и т. п.
Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств
фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического тока
или преобразуется в нее.
Вакуумные фотоэлементы. Современный вакуумный фотоэлемент представляет
собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким
слоем металла с малой работой выхода (рис. 11.4). Это катод 1. Через прозрачное
окошко свет проникает внутрь колбы.
В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод 2, который служит для
улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют 1С положительному полюсу
батареи. Фотоэлементы реагируют на видимое излучение и даже на инфракрасные
лучи.
При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток,
который включает или выключает реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет
конструировать множество различных «видящих» автоматов. Одним из них является
автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового
пучка, если предварительно не пропущена карточка.
Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти
мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной
зоне.
С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке.
Полупроводниковые фотоэлементы. Кроме рассмотренного в этой главе
фотоэффекта, называемого более полно внешним фотоэффектом, широко применяется
и так называемый внутренний фотоэффект в полупроводниках. На этом явлении
основано устройство фоторезисторов — приборов, сопротивление которых зависит от
освещенности. Кроме того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы,
создающие ЭДС и непосредственно преобразующие энергию излучения в энергию
электрического тока. ЭДС, называемая в данном случае фотоЭДС, возникает в области
р—n-перехода двух полупроводников при облучении этой области светом.
Под действием света образуются пары электрон — дырка. В области р—n-перехода
существует электрическое поле. Это поле заставляет неосновные носители
полупроводников перемещаться через контакт. Дырки из полупроводника n-типа
перемещаются в полупроводник р-типа, а электроны из полупроводника р-типа — в
область n-типа, что приводит к накоплению основных носителей в полупроводниках
n-и р-типов. В результате потенциал полупроводника p-типа увеличивается, а n-типа
уменьшается. Это происходит до тех пор, пока ток неосновных носителей через р—nпереход не сравняется с током основных носителей через этот же переход. Между
полупроводниками устанавливается разность потенциалов, равная фотоЭДС.
Если замкнуть цепь через внешнюю нагрузку, то в цепи пойдет ток, определяемый
разностью токов неосновных и основных носителей через р—n-переход (рис. 11.5).
Сила тока зависит от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки R.
Фотоэлементы с р- n-переходом создают ЭДС порядка 1—2 В. Их выходная мощность
достигает сотен ватт при коэффициенте полезного действия до 20%.
Фотоэлементы малой мощности используются, например, в фотоэкспонометрах.
Особенно широко применяются полупроводниковые фотоэлементы при изготовлении
солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях (рис. 11.6). К
сожалению, пока такие батареи довольно дороги.
Широко применяются вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы, которые
создают фотоЭДС.
7 Задачи на закрепление изученной темы
Задача 1. Определить длину волны красной границы фотоэффекта для серебра. Работа
выхода для серебра равна 6,9·10 -19 Дж .
Задача 2. Определить кинетическую энергию электронов, вылетающих из калия
(А=3,5·10-19 Дж) при его освещении лучами длиной волны 3,45·10-7 м.
Задача 3. На поверхность вольфрама, работа выхода электрона из которого равна
7,2·10-19 Дж, падают лучи длиной волны 250нм. Определить скорость фотоэлектрона и
его кинетическую энергию (m = 9,1·10-31 кг.)
Задача 4. Работа выхода электрона из бария равна 3,9·10-19 Дж. Скорость
фотоэлектронов 3·105 м/с. Определить длину световой волны и красную границу
фотоэффекта.(m = 9,1·10-31 кг.)
Задача 5. Длина волны света, соответствующая красной границе фотоэффекта, для
некоторого металла 275 нм. Найти максимальную скорость электронов, вырываемых
из металла светом длиной волны 180 нм.
Задача 6. Найти частоту света, вырывающего из металла электроны, которые
полностью задерживаются разностью потенциалов 3 В. Красная граница фотоэффекта
для данного металла 6·1014 Гц.