Фотоелектричний ефект та його закони

ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ

Теоретичні відомості

Фотоелектричний ефект та його закони

Гіпотеза Планка про те, що світло випромінюється і поглинається окремими порціями – квантами, була підтверджена і набула подальшого розвитку при дослідженні інших явищ: фотоелектричному ефекті, хімічній дії світла, ефекті Комптона тощо.

Фотоелектричним ефектом або фотоефектом називається виривання електронів з речовини під дією світла. Це явище було виявлено Г. Герцем у 1887 р., який помітив, що при освітленні негативного електрода іскрового розрядника ультрафіолетовими променями розряд відбувається при меншій напрузі між електродами ніж без такого освітлення. Фотоефект як самостійне фізичне явище детально вивчав у 1888-1890 роках О.Г. Столєтов. Схему дослідів Столєтова зображено на рис. 2.

Рис. 2

Плоский конденсатор, однією з пластин якого була мідна сітка С, а другою – цинкова пластина П, було увімкнено через гальванометр Г у кого акумуляторної батареї. При освітленні негативно зарядженої пластини у колі виникав електричний струм, який називається фотострумом. На основі своїх дослідів Столєтов зробив такі висновки: 1) найбільшу дію проявляють ультрафіолетові промені;

2) сила фотоструму зростає пропорційно освітленості пластини;

3) під дією світла метал втрачає негативно заряджені частинки.

Експериментальні дослідження фотоефекту в металах показали, що це явище залежить не лише від хімічної природи металу, а і від стану його поверхні. Дуже малі забруднення поверхні металу значною мірою впливають на емісію електронів під дією світла. Тому для вивчення фотоефекту користуються вакуумною трубкою, схема якої зображена на рис. 3.

Рис. 3

Катод К, покритий металом, що досліджується, освітлюється монохроматичним світлом, яке проходить у трубку крізь вікно В. Напругу між анодом і катодом регулюють за допомогою потенціометра П і вимірюють вольтметром V. Дві акумуляторні батареї Б₁ і Б₂, що увімкнуті “назустріч одна одній“, дають можливість за допомогою потенціометра змінювати не лише абсолютну величину, а й знак напруги U. Фотострум вимірюється гальванометром Г. На рис. 4 зображені криві залежності сили фотоструму І від напруги U, які відповідають двом різним енергетичним освітленостям катода: Е ₁ (крива a) і Е ₂ > Е ₁ (крива b). Частота світла в обох випадках однакова.

Рис. 4

Існування фотоструму в області негативних напруг від нуля до – U ₀ пояснюється тим, що фотоелектрони, які покидають катод, мають відмінну від нуля початкову кінетичну енергію. За рахунок зменшення цієї енергії електрони можуть здійснювати роботу проти сил затримуючого електричного поля в трубці і досягти анода. Очевидно, що максимальна початкова швидкість υ _max фотоелектронів пов`язана з U ₀ співвідношенням

mυ _max / 2 = eU ₀, (2.1)

де e і m – відповідно, абсолютна величина заряду електрона і його маса.

При U ≤ - U ₀ фотострум зникає, тому І = 0. Із збільшенням напруги U фотострум поступово зростає, оскільки дедалі більше число фотоелектронів буде здатне досягти анода. Максимальне значення струму І _н, яке називається фотострумом насичення, відповідає таким значенням напруги U, при яких усі фотоелектрони досягають анода,

І _н = е∙n, (2.2)

де n – число фотоелектронів, які вилітають із катода за 1 секунду.

На дослідах встановлені такі основні закони фотоефекту:

1)число фотоелектронів n, які вириваються з катода за одиницю часу, є пропорційним інтенсивності світла (фотострум насичення є пропорційним енергетичній освітленості Е катода);

2)максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності;

3)для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота ν₀ світла, при якій ще можливий фотоефект. Величина ν₀ залежить від хімічної природи речовини і стану її поверхні.

Досліди показують, що фотоефект є практично безінерційним.

2.2. Квантова теорія фотоефекту

Явище фотоефекту і його закономірності повністю пояснюються квантовою теорією світла, основні положення якої запропонував Ейнштейн. Він розвинув ідеї Планка про квантовий характер випромінювання атомами – осциляторами і припустив, що світло не лише випромінюється і поглинається речовиною квантами енергії, а й поширюється в просторі у вигляді окремих порцій енергії – квантів електромагнітного випромінювання. Отже, поширення електромагнітного випромінювання слід розглядати не як безперервний хвильовий процес, а як потік локалізованих у просторі дискретних квантів, що рухаються з швидкістю с поширення світла у вакуумі. Ці кванти електромагнітного випромінювання назвали фотонами. Для монохроматичного випромінювання з частотою ν усі фотони мають однакову енергію ε = h ν. Процес поглинання світла речовиною зводиться до того, що фотони передають усю свою енергію частинкам цієї речовини. Очевидно, що процес поглинання світла відбувається перервно як у просторі, так і у часі.

Ці ідеї Ейнштейна лягли в основу квантової теорії світла, яка дала можливість пояснити закони фотоефекту і багато інших оптичних явищ, що не вкладаються в межі класичної електромагнітної теорії.

Розглянемо з квантової точки зору фотоефект у металах. Відомо, що для виходу з металу електрон повинен здійснити роботу виходу А. Внаслідок поглинання фотона він набуває енергію h ν. Якщо h ν ≥ А, то електрон може виконати роботу виходу і вирватися з металу. За законом збереження енергії максимальна кінетична енергія фотоелектрона дорівнює:

mυ ² /2 = h ν – A. (2.3)

Це рівняння вперше запропонував Ейнштейн, тому воно називається рівнянням Ейнштейна для фотоефекту.

Явище виривання електронів з твердих та рідких речовин під дією світла називається зовнішнім фотоефектом.

За допомогою рівняння (2.3) можна легко пояснити всі основні закони зовнішнього фотоефекту в металах. З рівняння Ейнштейна випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона залежить не від інтенсивності, а від частоти світла і роботи виходу А. Зовнішній фотоефект можливий лише тоді, коли енергія фотона h ν більша або принаймні дорівнює А. Найменша частота світла, під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови h ν₀ = А, звідки маємо

ν₀ = A / h (λ₀ = ch / A). (2.4)

Частота ν₀ (λ₀), при якій можливий фотоефект, називається червоною межею фотоефекту. Вона залежить лише від роботи виходу електрона А, тобто від хімічної природи металу та стану його поверхні.

Нарешті, з самого механізму протікання явища зовнішнього фотоефекту зрозуміло, що загальне число n фотоелектронів, які вилітають за одиницю часу, пропорційне числу фотонів n ', які падають за той самий час на поверхню речовини. Для плоского катода, який рівномірно освітлюється монохроматичним світлом з частотою ν маємо n' = E / h, де Е – енергетична освітленість, яка пропорційна інтенсивності світла. Отже, відповідно до третього закону фотоефекта число фотоелектронів, які вилітають з катода за одиницю часу, пропорційне інтенсивності світла.

На основі співвідношень (2.1) та (2.3) рівняння Ейнштейна можна переписати так:

eU ₀ = h (ν – ν₀). (2.5)

Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту неодноразово перевіряли експериментально. При дуже великих інтенсивностях світла, яке спричиняє фотоефект (наприклад, при освітленні металу випромінюванням від лазерів), закони зовнішнього фотоефекту втрачають силу.

У кристалічних напівпровідниках та діелектриках, крім зовнішнього фотоефекту, відбувається внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що під дією опромінення збільшується електропровідність цих речовин за рахунок зростання в них числа вільних носіїв струму (електронів провідності та дірок). Це явище називають фотопровідністю.

Особливий практичний інтерес становить вентильний фотоефект (фотоефект у запірному шарі), що полягає у виникненні електрорушійної сили (ЕРС) внаслідок внутрішнього фотоефекту поблизу поверхні контакту між металом і напівпровідником або двома напівпровідниками p –типу і n – типу. Цей контакт має односторонню провідність.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: