Фотоэффект. Законы фотоэффекта

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. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный.

Внешний фотоэффект - это явление испускания 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). Фотоэффект открыл в 1887 году Г. Герц, наблюдавший усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением

А. Столетов подробно исследовал внешний фотоэффект и сформулировал ряд законов. Схема установки Столетова показана на (рис.22).

Свет через сетку анода А попадал на металлический катод К. Микроамперметр регистрировал ток. Вольт – амперные характеристики изображены на (рис.23), где - задерживающее напряжение (обратное), не позволяющее электронам достигать анода.

Законы внешнего фотоэффекта:

1.. Фототок насыщения пропорционален интенсивности падающего, на поверхность катода света, если спектральный состав его постоянный.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует красная граница, т.е. минимальная частота ν₀ (максимальная длина волны λ ₀) света зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, ниже которой фотоэффект не возникает.

4. Фотоэффект безынерционен.

На рис.24 изображен график зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов как функции частоты облучающего вещество света. Прямая линия, не проходящая через начало координат, указывает на существование граничной частоты ν _кр вещества.

С волновых позиций истолковать законы фотоэффекта не получилось.

А. Эйнштейн в 1905 году, исходя из закона сохранения энергии и из квантовых позиций поглощения света катодом, предложил формулу фотоэффекта:

, (3 – 13)

где ε_ф – энергия падающего фотона, - работа выхода электрона с поверхности катода

Работа выхода – минимальная работа по вырыванию электронов с поверхности тела катода. Из формулы Эйнштейна следуют линейная зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света . Величина граничных параметров света связана с работой выхода электронов:

. (3 – 14)

На явлении внешнего фотоэффекта основано действие вакуумных фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей.

Внутренний фотоэффект – это переходы электронов в прозрачных полупроводниках или диэлектриках за счет энергии поглощенных световых квантов из валентной зоны в зону проводимости.. В результате этого концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении).

На явлении внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоприемники: фоторезисторы, принцип действия которых основан на эффекте фотопроводимости; фотодиоды при освещении p-n перехода в них возникают электронно-дырочные пары; фототранзисторы обеспечивающие внутреннее усиление сигнала; фототиристоры обеспечивающие переключающие свойства прибора. Эти приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, телемеханике и сигнализации

Вентильный фотоэффект – возникновение э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открыл возможность прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Он широко используется в солнечных фотопреобразователях. Эти приборы называют также солнечными батареями или солнечными элементами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: