A fotoelektromos hatás az a jelenség, amikor az elektronok fényt löknek ki egy fémből (külső)

A fotoelektromos hatás egy anyag által fény (vagy bármely más elektromágneses sugárzás) hatására kibocsátott elektronok. A kondenzált anyagokban (szilárd és folyékony) külső és belső fotoelektromos hatás lép fel.

A külső fotoeffektus (fotoelektron-emisszió) egy anyag által elektromágneses sugárzás hatására kibocsátott elektronok. Az anyagból külső fotoelektromos hatás során kibocsátott elektronokat fotoelektronoknak, az általuk külső elektromos térben történő rendezett mozgás során keletkező elektromos áramot pedig fotoáramnak nevezzük.

A belső fotoelektromos hatás az elektronok energiaállapotok közötti újraeloszlása ​​szilárd és folyékony félvezetőkben és dielektrikumokban, amely sugárzás hatására következik be. Ez a töltéshordozók koncentrációjának változásában nyilvánul meg a közegben, és a fényvezető képesség vagy a kapu fotoelektromos hatás megjelenéséhez vezet.

A fotovezetőképesség egy anyag elektromos vezetőképességének növekedése sugárzás hatására.

A kapu fotoelektromos hatás egyfajta belső fotoelektromos hatás - ez az emf (fotó emf) előfordulása két különböző félvezető vagy egy félvezető és egy fém érintkezésének megvilágításakor (külső elektromos tér hiányában). A szelepes fotoelektromos hatás megnyitja az utat a napenergia közvetlen elektromos energiává történő átalakításához.

A többfoton fotoelektromos hatás akkor lehetséges, ha a fény intenzitása nagyon magas (például lézersugarak használatakor). Ebben az esetben egy fém által kibocsátott elektron egyszerre nem egy, hanem több fotontól kaphat energiát.

Sztoletov törvényei

Első törvény
A hengerben lévő áram függőségét az elektródák közötti feszültségtől, állandó fényáram mellett az egyikhez, megállapította a fotoelektromos hatás első törvényét.

A telítési fotoáram arányos a fémre beeső fényárammal.

Mert Az áramerősséget a töltés nagysága, a fényáramot pedig a fénysugár energiája határozza meg, akkor azt mondhatjuk:

az anyagból 1 s alatt kiütő elektronok száma arányos az anyagra beeső fény intenzitásával.

Második törvény

A fényviszonyok megváltoztatásával ugyanazon az installáción A. G. Stoletov felfedezte a fotoelektromos hatás második főtételét: a fotoelektronok kinetikus energiája nem a beeső fény intenzitásától, hanem annak frekvenciájától függ.

A tapasztalatból az következik, hogy ha a fény frekvenciáját növeljük, akkor állandó fényáram mellett a blokkolófeszültség növekszik, és ennek következtében a fotoelektronok mozgási energiája is nő. Így a fotoelektronok mozgási energiája lineárisan növekszik a fény frekvenciájával.

Harmadik Törvény

A készülékben lévő fotokatód anyag cseréjével Stoletov megállapította a fotoelektromos hatás harmadik főtételét: minden anyagra van egy vörös határérték a fotoelektromos hatásnak, azaz. Van egy minimális nmin frekvencia, amelynél még lehetséges a fotoelektromos hatás.

Az energiamegmaradás törvénye, amelyet Einstein a fotoelektromos hatásra írt le, az az állítás, hogy az elektron által felvett foton energiája lehetővé teszi, hogy elhagyja a vezető felületét, befejezve munkafunkcióját. Az energia többi része az immár szabad elektron mozgási energiája formájában realizálódik

A beeső foton energiáját a fémből A munkát végző elektronra fordítják, és mv2max/2 mozgási energiát adnak a kibocsátott fotoelektronnak. Az energiamegmaradás törvénye szerint

(203.1)

A (203.1) egyenletet a külső fotoelektromos hatás Einstein-egyenletének nevezik.

Compton hatás

A fény hullámhosszának változása a kötött elektronok által szórva

RUTHERFORD KÍSÉRLETEI AZ ATOM BOLYGÓMODELLE

Rutherford kísérletei. Az elektronok tömege több ezerszer kisebb, mint az atomok tömege. Mivel az atom egésze semleges, ezért az atom tömegének nagy része a pozitív töltésű részében van.

A pozitív töltés és így a tömeg atomon belüli eloszlásának kísérleti tanulmányozására Ernest Rutherford 1906-ban javasolta az atom -részecskék segítségével történő szondázását. Ezek a részecskék a rádium és néhány más elem bomlásából származnak. Tömegük körülbelül 8000-szer akkora, mint egy elektron tömege, pozitív töltésük pedig az elektrontöltés kétszeresével egyenlő. Ezek nem mások, mint teljesen ionizált hélium atomok. A -részecskék sebessége nagyon nagy: a fénysebesség 1/15-e.

Rutherford ezekkel a részecskékkel bombázta a nehéz elemek atomjait. Az elektronok kis tömegük miatt nem tudják észrevehetően megváltoztatni a részecske röppályáját, ahogy egy több tíz grammos kavics autóval ütközve sem tudja jelentősen megváltoztatni a sebességét.

Az atom bolygómodellje. Kísérletei alapján Rutherford megalkotta az atom bolygómodelljét. Az atom középpontjában egy pozitív töltésű mag található, amelyben az atom szinte teljes tömege koncentrálódik. Általában az atom semleges. Ezért az atomon belüli elektronok száma, akárcsak az atommag töltése, megegyezik az elem rendszámával a periódusos rendszerben. Nyilvánvaló, hogy az elektronok nem lehetnek nyugalomban az atomon belül, mivel az atommagra esnének. A mag körül mozognak, ahogy a bolygók a Nap körül keringenek. Az elektronmozgásnak ezt a természetét az atommagból érkező Coulomb-vonzóerők hatása határozza meg.

Egyszerű tapasztalatot mutat be. Ha egy elektroszkóphoz (elektromos töltés jelenlétét mutató eszköz) csatlakoztatott negatív töltésű cinklemezt ultraibolya lámpa fényével világítanak meg, akkor az elektroszkóp tűje nagyon gyorsan nulla állapotba kerül. Ez azt jelzi, hogy a töltés eltűnt a lemez felületéről. Ha ugyanezt a kísérletet pozitív töltésű lemezzel végezzük, az elektroszkóp tűje egyáltalán nem fog elhajolni. Ezt a kísérletet először 1888-ban hajtotta végre Alekszandr Grigorjevics Stoletov orosz fizikus.

Alekszandr Grigorjevics Stoletov

Mi történik egy anyaggal, ha fény esik rá?

Tudjuk, hogy a fény elektromágneses sugárzás, kvantumrészecskék - fotonok - áramlata. Amikor az elektromágneses sugárzás egy fémre esik, egy része visszaverődik a felületről, egy részét pedig elnyeli a felületi réteg. Elnyeléskor a foton átadja energiáját az elektronnak. Miután megkapta ezt az energiát, az elektron működik, és elhagyja a fém felületét. A lemez és az elektron is negatív töltésű, ezért taszítják egymást, és az elektron kilökődik a felületről.

Ha a lemez pozitív töltésű, a felületről kiütött negatív elektront ismét magához vonzza, és nem hagyja el a felületét.

A felfedezés története

A fotoelektromos hatás jelenségét a 19. század elején fedezték fel.

1839-ben Alexandre Edmond Becquerel francia tudós megfigyelte a fotovoltaikus hatást egy fémelektróda és egy folyadék (elektrolit) határfelületén.

Alexander Edmond Becquerel

1873-ban Smith Willoughby angol villamosmérnök felfedezte, hogy ha a szelént elektromágneses sugárzásnak teszik ki, elektromos vezetőképessége megváltozik.

Amikor 1887-ben kísérleteket végzett az elektromágneses hullámok vizsgálatával, a német fizikus, Heinrich Hertz észrevette, hogy a feltöltött kondenzátor sokkal gyorsabban kisül, ha a lemezeit ultraibolya sugárzás megvilágítja.

Heinrich Hertz

1888-ban Wilhelm Galwachs német kísérleti fizikus felfedezte, hogy amikor egy fémet rövidhullámú ultraibolya sugárzással sugároznak be, a fém elveszti negatív töltését, vagyis a fotoelektromos hatás jelensége figyelhető meg.

A fotoelektromos hatás vizsgálatához óriási hozzájárulást tett Alekszandr Grigorjevics Stoletov orosz fizikus, aki 1888-1890-ben részletes kísérleteket végzett a fotoelektromos hatás tanulmányozására. Ehhez egy speciális eszközt tervezett, amely két párhuzamos lemezből áll. Az egyik ilyen lemez katód, fémből készült, üvegvitrinben volt. Egy másik lemez anód, kvarcüvegből készült tok végére felvitt fémháló volt. A kvarcüveget nem véletlenül választotta a tudós. Az a tény, hogy minden típusú fényhullámot továbbít, beleértve az ultraibolya sugárzást is. A közönséges üveg blokkolja az ultraibolya sugárzást. Levegőt kiszivattyúztak a házból. Mindegyik lemezre egy feszültséget kapcsoltak: negatív a katódra, pozitív az anódra.

Stoletov tapasztalata

A kísérletek során a tudós üvegen keresztül vörös, zöld, kék és ultraibolya fénnyel világította meg a katódot. Az áram nagyságát galvanométerrel rögzítették, amelyben a fő elem egy tükör volt. A fényáram nagyságától függően a tükör különböző szögekben térült el. Az ultraibolya sugárzásnak volt a legnagyobb hatása. És minél több volt belőlük a spektrumban, annál erősebb a fény hatása.

Stoletov felfedezte, hogy a fény hatására csak negatív töltések szabadulnak fel.

A katód különféle fémekből készült. A legérzékenyebbek a fényre olyan fémek voltak, mint az alumínium, a réz, a cink, az ezüst és a nikkel.

1898-ban felfedezték, hogy a fotoelektromos hatás során felszabaduló negatív töltések elektronok.

Albert Einstein 1905-ben pedig az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének speciális eseteként magyarázta a fotoelektromos hatás jelenségét.

Külső fotóeffektus

Külső fotóeffektus

Az elektromágneses sugárzás hatására az anyagot elhagyó elektronok ún külső fotoeffektus, vagy fotoelektron emisszió. A felszínről kibocsátott elektronokat ún fotoelektronok. Ennek megfelelően a rendezett mozgásuk során keletkező elektromos áramot ún fotoáram.

A fotoelektromos hatás első törvénye

A fényáram erőssége egyenesen arányos a fényáram sűrűségével. Minél nagyobb a sugárzás intenzitása, annál nagyobb számú elektron üt ki a katódból 1 s alatt.

A fényáram intenzitása arányos a fotonok számával. A fotonok számának növekedésével a fémfelületet elhagyó és fotoáramot létrehozó elektronok száma növekszik. Következésképpen az áramerősség növekszik.

A fotoelektromos hatás második főtétele

A fény által kilökött elektronok maximális kinetikus energiája lineárisan növekszik a fény frekvenciájával, és nem függ annak intenzitásától.

A felületre beeső foton által birtokolt energia egyenlő:

E = h ν ,Ahol ν - a beeső foton frekvenciája; h - Planck állandó.

Miután megkapta az energiát E , az elektron munkafunkciót lát el φ . Az energia többi része a fotoelektron mozgási energiája.

Az energiamegmaradás törvénye a következő egyenlőséget jelenti:

h·ν=φ + W e , Hol W e - az elektron legnagyobb kinetikus energiája a fémtől való távozás pillanatában.

h·ν=φ + m v 2 /2

A fotoelektromos hatás harmadik törvénye

Minden anyagra van egy vörös határérték a fotoelektromos hatásnak, vagyis a fény minimális frekvenciája ν min(vagy maximális hullámhossz λ max), amelynél a fotoelektromos hatás még lehetséges, és ha ν˂ ν min, akkor a fotoelektromos hatás többé nem lép fel.

A fotoelektromos hatás egy bizonyos fényfrekvenciától kezdve jelenik meg ν min . Ezen a frekvencián ún a fotoelektromos hatás "piros" szegélye, megindul az elektronkibocsátás.

h ν min = φ .

Ha a fotonfrekvencia kisebb ν min , energiája nem lesz elég ahhoz, hogy „kiütjön” egy elektront a fémből.

Belső fotoelektromos hatás

Ha a sugárzás hatására az elektronok elveszítik a kapcsolatot atomjaikkal, de nem hagyják el a szilárd és folyékony félvezetőket és dielektrikumokat, hanem szabad elektronként maradnak bennük, akkor ezt a fotoelektromos hatást belsőnek nevezzük. Ennek eredményeként az elektronok újra eloszlanak az energiaállapotok között. A töltéshordozók koncentrációja megváltozik és a fényvezető képesség(fokozott vezetőképesség fény hatására).

A belső fotoelektromos hatás is magában foglalja szelep fotoelektromos hatás, vagy fotoelektromos hatás a gátrétegben. Ez a fotoelektromos hatás akkor következik be, amikor a fény hatására az elektronok elhagyják a test felületét, és egy másik érintkező testbe - egy félvezetőbe vagy elektrolitba - mozognak.

Fotoelektromos hatás alkalmazása

Minden olyan készüléket, amelynek működési elve a fotoelektromos hatáson alapul, ún fotocellák. A világ első fotocellája Stoletov készüléke volt, amelyet ő készített a fotoelektromos hatás tanulmányozására.

A fotocellákat széles körben használják az automatizálás és a telemechanika számos eszközében. Fotocellák nélkül lehetetlen vezérelni a számítógépes numerikus vezérlésű (CNC) gépeket, amelyek emberi beavatkozás nélkül képesek rajzok szerinti alkatrészeket létrehozni. Segítségükkel hangot olvasnak ki a filmből. Különféle vezérlőeszközök részét képezik, és segítenek a megfelelő időben leállítani és blokkolni az eszközt. Fotocellák segítségével az utcai világítás sötétedéskor felkapcsol, hajnalban kikapcsol. Segítenek vezérelni a metróban lévő forgókapukat, a szárazföldön pedig a jelzőlámpákat, és leengedik a sorompót, amikor egy vonat közeledik az átkelőhelyhez. Teleszkópokban és napelemekben használják.

A külső fotoelektromos hatás törvényei

A hősugárzás mellett a klasszikus fizika kereteibe nem illeszkedő jelenség a fotoelektromos hatás.

A külső fotoelektromos hatás az a jelenség, amikor egy anyag elektronokat bocsát ki elektromágneses hullámokkal besugározva.

A fotoelektromos hatást Hertz fedezte fel 1887-ben. Észrevette, hogy a cinkgömbök közötti szikra könnyebbé válik, ha a szikrák közötti rést fénnyel sugározzák be. A külső fotoelektromos hatás törvényét Stoletov 1888-ban kísérletileg tanulmányozta. A fotoelektromos hatás tanulmányozására szolgáló diagram az 1. ábrán látható.

1. ábra.

A katód és az anód vákuumcsőben található, mivel a fémfelület jelentéktelen szennyeződése befolyásolja az elektronkibocsátást. A katódot monokromatikus fénnyel világítják meg kvarc ablakon keresztül (a kvarc, a közönséges üveggel ellentétben, ultraibolya fényt enged át). Az anód és a katód közötti feszültséget potenciométerrel állítjuk be, és voltmérővel mérjük. Két egymáshoz csatlakoztatott akkumulátor lehetővé teszi a feszültség értékének és előjelének potenciométerrel történő megváltoztatását. A fotoáram erősségét galvanométerrel mérjük.

A 2. ábrán. görbék, amelyek a fotoáram erősségének a feszültségtől való függését mutatják a katód eltérő megvilágításának megfelelően és (). A fény frekvenciája mindkét esetben azonos.

ahol és az elektron töltése és tömege.

A feszültség növekedésével a fotoáram növekszik, ahogy több fotoelektron éri el az anódot. A fotoáram maximális értékét telítési fotoáramnak nevezzük. Ez azoknak a feszültségértékeknek felel meg, amelyeken a katódból kilökődő összes elektron eléri az anódot: , ahol a katódból 1 másodperc alatt kibocsátott fotoelektronok száma.

Stoletov kísérletileg megállapította a fotoelektromos hatás következő törvényeit:

Komoly nehézségek adódtak a második és harmadik törvény magyarázata során. Az elektromágneses elmélet szerint a szabad elektronok fémből való kilökődésének a hullám elektromos mezőjében való „lengésének” kell lennie. Ekkor nem világos, hogy a kibocsátott elektronok maximális sebessége miért a fény frekvenciájától függ, és nem az elektromos térerősség vektor rezgésének amplitúdójától és a hozzá tartozó hullámintenzitástól. A fotoelektromos hatás második és harmadik törvényének értelmezési nehézségei kétségeket ébresztenek a fényhullámelmélet egyetemes alkalmazhatóságával kapcsolatban.

A fotoelektromos hatás Einstein-egyenlete

1905-ben Einstein az általa javasolt kvantumelmélet segítségével elmagyarázta a fotoelektromos hatás törvényeit. A fényt nemcsak a frekvencia bocsátja ki, amint azt Planck feltételezte, hanem bizonyos részekben (kvantumokban) az anyag is elnyeli. A fény diszkrét fénykvantumok (fotonok) folyama, amelyek fénysebességgel mozognak. A kvantumenergia egyenlő . Minden kvantumot csak egy elektron nyel el. Ezért a kilökött elektronok számának arányosnak kell lennie a fény intenzitásával (a fotoelektromos hatás 1. törvénye).

A beeső foton energiáját a fém elhagyását végző elektronra és a kibocsátott fotoelektronnak mozgási energiát közvetítő elektronra fordítják:

(2)

A (2) egyenletet a külső fotoelektromos hatás Einstein-egyenletének nevezzük. Az Einstein-egyenlet megmagyarázza a fotoelektromos hatás második és harmadik törvényét. A (2) egyenletből egyenesen következik, hogy a maximális kinetikus energia a beeső fény frekvenciájának növekedésével növekszik. A frekvencia csökkenésével a mozgási energia csökken, és egy bizonyos frekvencián nullával egyenlő, és a fotoelektromos hatás megszűnik (). Innen

hol az elnyelt fotonok száma.

Ebben az esetben a fotoelektromos hatás piros határa alacsonyabb frekvenciák felé tolódik el:

.

(5)

A külső fotoeffektus mellett a belső fotoeffektus is ismert. Szilárd és folyékony félvezetők és dielektrikumok besugárzásakor az elektronok kötött állapotból szabad állapotba kerülnek, de nem repülnek ki. A szabad elektronok jelenléte fényvezető képességet eredményez. A fotovezetőképesség egy anyag elektromos vezetőképességének növekedése fény hatására.

Foton és tulajdonságai

Az interferencia, diffrakció és polarizáció jelenségei csak a fény hullámtulajdonságaival magyarázhatók. A fotoelektromos hatás és a hősugárzás azonban csak korpuszkuláris (a fényt fotonáramnak tekintve). A fény tulajdonságainak hullám- és kvantumleírásai kiegészítik egymást. A fény hullám és részecske is egyben. A hullám és a korpuszkuláris tulajdonságok közötti kapcsolatot megalapozó alapegyenletek a következők:

(7)

És a mennyiségek egy részecskét jellemzik, és egy hullám.

A foton tömegét a (6) összefüggésből találjuk meg: .

A foton olyan részecske, amely mindig fénysebességgel mozog, és nyugalmi tömege nulla. A foton impulzusa egyenlő: .

Compton hatás

A legteljesebb korpuszkuláris tulajdonságok a Compton-effektusban nyilvánulnak meg. 1923-ban Compton amerikai fizikus a röntgensugárzás paraffin általi szóródását tanulmányozta, amelynek atomjai könnyűek.

Hullámszempontból a röntgensugárzás szóródása az anyag elektronjainak kényszerrezgéseinek köszönhető, így a szórt fény frekvenciájának egybe kell esnie a beeső fény frekvenciájával. A szórt fényben azonban hosszabb hullámhosszt találtak. nem függ a szórt röntgensugarak hullámhosszától és a szóró anyag anyagától, hanem a szóródás irányától. Legyen tehát az elsődleges sugár iránya és a szórt fény iránya közötti szög , ahol (m).

Ez a törvény igaz azokra a könnyű atomokra ( , , , ), amelyek elektronjai gyengén kötődnek az atommaghoz. A szórási folyamat a fotonok elektronokkal való rugalmas ütközésével magyarázható. Röntgensugárzás hatására az elektronok könnyen elválnak az atomtól. Ezért szóba jöhet a szabad elektronok szóródása. A lendületes foton ütközik egy álló elektronnal, és az energia egy részét adja neki, és maga is lendületet vesz fel (3. ábra).

3. ábra.

Az energia- és impulzusmegmaradás törvényeit használva abszolút rugalmas ütéshez a következő kifejezést kapjuk: , amely egybeesik a kísérletivel, míg , amely a fény korpuszkuláris elméletét bizonyítja.

Lumineszcencia, fotolumineszcencia és alapelvei

A lumineszcencia olyan nem egyensúlyi sugárzás, amely egy adott hőmérsékleten meghaladja a hősugárzást. A lumineszcencia külső hatások hatására következik be, amelyeket nem a test melegítése okoz. Ez egy hideg fény. A gerjesztés módjától függően megkülönböztetik őket: fotolumineszcencia (fény hatására), kemilumineszcencia (kémiai reakciók hatására), katodolumineszcencia (gyors elektronok hatására) és elektrolumineszcencia (elektromos mező hatására). .

Azt a lumineszcenciát, amely a külső hatás megszűnése után azonnal leáll, fluoreszcenciának nevezzük. Ha a lumineszcencia az expozíció vége után s-en belül eltűnik, akkor azt foszforeszcenciának nevezzük.

A lumineszcens anyagokat foszforoknak nevezzük. Ide tartoznak az uránvegyületek, a ritkaföldfémek, valamint a konjugált rendszerek, amelyekben a kötések váltakoznak, valamint az aromás vegyületek: fluoreszcein, benzol, naftalin, antracén.

A fotolumineszcencia Stokes törvényét követi: a gerjesztő fény frekvenciája nagyobb, mint a kibocsátott frekvencia , ahol az elnyelt energia hővé alakuló része.

A lumineszcencia fő jellemzője a kvantumhozam, amely megegyezik az elnyelt kvantumok számának és a kibocsátott kvantumok számának arányával. Vannak olyan anyagok, amelyek kvantumhozama közel 1 (például fluoreszcein). Az antracén kvantumhozama 0,27.

A lumineszcencia jelenségét széles körben alkalmazzák a gyakorlatban. Például a lumineszcencia analízis egy olyan módszer, amellyel egy anyag összetételét a jellegzetes fénye alapján határozzuk meg. A módszer nagyon érzékeny (körülbelül ) a kis mennyiségű szennyeződés kimutatására, és precíz kutatásra használják a kémia, a biológia, az orvostudomány és az élelmiszeripar területén.

A lumineszcens hibadetektálás lehetővé teszi a legfinomabb repedések észlelését a gépalkatrészek felületén (a vizsgált felületet lumineszcens oldat borítja, amely eltávolítás után a repedésekben marad).

A fényporokat fénycsövekben használják, az optikai kvantumgenerátorok aktív közege, és az elektron-optikai konverterekben. Különböző eszközök világító jelzőinek készítésére szolgál.

Az éjjellátó készülékek fizikai elvei

A készülék alapja egy elektron-optikai konverter (EOC), amely a szem számára láthatatlan infravörös sugarakban lévő tárgy képét alakítja látható képpé (4. ábra).

4. ábra.

1 – fotokatód, 2 – elektronlencse, 3 – lumineszcens képernyő,

Az objektum infravörös sugárzása fotoelektron-emissziót okoz a fotokatód felületéről, és az utóbbi különböző részeiből származó emisszió mértéke a rávetített kép fényességeloszlásának megfelelően változik. A fotoelektronokat a fotokatód és a képernyő közötti területen felgyorsítja az elektromos tér, az elektronlencse fókuszálja és bombázza a képernyőt, ami lumineszcenciát okoz. A képernyő egyes pontjainak fényének intenzitása a fotoelektronok fluxussűrűségétől függ, aminek következtében a tárgy látható képe jelenik meg a képernyőn.

Bevezetés

1. A fotoelektromos hatás felfedezésének története

2. Sztoletov törvényei

3. Einstein-egyenlet

4. Belső fotoelektromos hatás

5. A fotoelektromos hatás jelenségének alkalmazása

Hivatkozások

Bevezetés

Számos optikai jelenséget következetesen megmagyaráztak a fény hullámtermészetére vonatkozó elképzelések alapján. Azonban a 19. század végén – a 20. század elején. Olyan jelenségeket fedeztek fel és tanulmányoztak, mint a fotoelektromos hatás, a röntgensugárzás, a Compton-effektus, az atomok és molekulák sugárzása, a hősugárzás és egyebek, amelyeknek hullámszempontú magyarázata lehetetlennek bizonyult. Az új kísérleti tények magyarázatát a fény természetére vonatkozó korpuszkuláris elképzelések alapján kaptuk. Paradox helyzet állt elő azzal kapcsolatban, hogy a hullámok és részecskék teljesen ellentétes fizikai modelljeit optikai jelenségek magyarázatára alkalmazták. Egyes jelenségekben a fény hullámtulajdonságokat, másokban pedig korpuszkuláris tulajdonságokat mutatott.

A különböző jelenségek között, amelyekben a fény anyagra gyakorolt ​​hatása megnyilvánul, fontos helyet foglal el a fotoelektromos hatás, azaz egy anyag által a fény hatására kibocsátott elektronok. Ennek a jelenségnek az elemzése a fénykvantumok gondolatához vezetett, és rendkívül fontos szerepet játszott a modern elméleti koncepciók kidolgozásában. Ugyanakkor a fotoelektromos effektust a tudomány és a technológia különböző területein rendkívül széles körben elterjedt és még gazdagabb kilátásokkal kecsegtető fotocellákban alkalmazzák.

1. A fotoelektromos hatás felfedezésének története

A fotoelektromos hatás felfedezését 1887-nek kell tulajdonítani, amikor Hertz felfedezte, hogy egy feszültség alatt álló szikraköz elektródáit ultraibolya fénnyel megvilágítva megkönnyíti a szikra áthaladását közöttük.

A Hertz által felfedezett jelenség az alábbi, könnyen megvalósítható kísérletben figyelhető meg (1. ábra).

Az F szikraköz méretét úgy választjuk meg, hogy a T transzformátorból és egy C kondenzátorból álló áramkörben nehezen (percenként egyszer-kétszer) átcsússzon a szikra. Ha a tiszta cinkből készült F elektródákat Hg higanylámpa fényével világítjuk meg, akkor a kondenzátor kisülése nagyban megkönnyíti: szikra ugrál. 1. Hertz-kísérlet vázlata.

A fotoelektromos hatást 1905-ben Albert Einstein (amiért 1921-ben Nobel-díjat kapott) magyarázta Max Plancknak ​​a fény kvantumtermészetére vonatkozó hipotézise alapján. Einstein munkája egy fontos új hipotézist tartalmazott – ha Planck azt javasolta, hogy a fény csak kvantált részekben bocsátkozik ki, akkor Einstein már azt hitte, hogy a fény csak kvantumrészek formájában létezik. A fény mint részecskék (fotonok) gondolatából azonnal következik Einstein fotoelektromos hatásának képlete:

, a kibocsátott elektron mozgási energiája, az adott anyag munkafüggvénye, a beeső fény frekvenciája, a Planck-állandó, amely pontosan megegyezik a Planck-féle fekete test sugárzási képletével.

Ez a képlet magában foglalja a fotoelektromos hatás vörös határának létezését. Így a fotoelektromos hatás kutatása volt az egyik legelső kvantummechanikai tanulmány.

2. Sztoletov törvényei

Az orosz fizikus A.G. először (1888–1890) részletesen elemezve a fotoelektromos hatás jelenségét. Stoletov alapvetően fontos eredményeket ért el. A korábbi kutatókkal ellentétben kis potenciálkülönbséget vett fel az elektródák között. A Stoletov-kísérlet sémája az ábrán látható. 2.

Az akkumulátorhoz két elektróda van rögzítve (az egyik rács, a másik lapos), amelyek vákuumban helyezkednek el. Az áramkörhöz csatlakoztatott ampermérőt használnak a keletkező áram mérésére. A katód különböző hullámhosszú fénnyel történő besugárzásával Stoletov arra a következtetésre jutott, hogy az ultraibolya sugarak a leghatékonyabbak. Ezenkívül azt találták, hogy a fény által keltett áram erőssége egyenesen arányos annak intenzitásával.

1898-ban Lenard és Thomson az elektromos és mágneses mezők töltéseinek eltérítésének módszerével meghatározták a 2. ábráról kilökődő töltött részecskék fajlagos töltését. 2. Stoletov kísérletének vázlata.

fényt a katódról, és megkapta a kifejezést

SGSE egységek s/g, ami egybeesik az elektron ismert fajlagos töltésével. Ebből következett, hogy a fény hatására elektronok löktek ki a katódanyagból.

A kapott eredményeket összegezve a következőket állapították meg minták fotóeffektus:

1. A fény állandó spektrális összetétele mellett a telítési fotoáram erőssége egyenesen arányos a katódra eső fényárammal.

2. A fény által kilökött elektronok kezdeti kinetikus energiája a fény frekvenciájának növekedésével lineárisan növekszik, és nem függ annak intenzitásától.

3. A fotoelektromos hatás nem lép fel, ha a fény frekvenciája kisebb, mint az egyes fémekre jellemző bizonyos érték.

, az úgynevezett piros szegély.

A fotoelektromos hatás első szabályszerűsége, valamint magának a fotoelektromos hatásnak a létrejötte könnyen megmagyarázható a klasszikus fizika törvényei alapján. Valójában a fénymező, amely a fém belsejében lévő elektronokra hat, gerjeszti azok rezgéseit. Az erőltetett rezgések amplitúdója elérheti azt az értéket, amelynél az elektronok elhagyják a fémet; akkor a fotoelektromos hatás figyelhető meg.

Tekintettel arra, hogy a klasszikus elmélet szerint a fény intenzitása egyenesen arányos az elektromos vektor négyzetével, a kilökött elektronok száma a fényintenzitás növekedésével növekszik.

A fényelektromos hatás második és harmadik törvényét nem magyarázzák a klasszikus fizika törvényei.

A fém monokromatikus fényárammal történő besugárzásakor keletkező fotoáram (3. ábra) az elektródák közötti potenciálkülönbségtől való függését vizsgálva (ezt a függést általában a fotoáram volt-amper karakterisztikájának nevezik) megállapították, hogy: 1) a fényáram nem csak akkor keletkezik

, hanem a ; 2) a fényáram nullától egy adott fémre szigorúan meghatározott negatív potenciálkülönbségig, az úgynevezett retardáló potenciálig tér el; 3) a blokkoló (késleltető) potenciál nagysága nem függ a beeső fény intenzitásától; 4) a fényáram a késleltető potenciál abszolút értékének csökkenésével nő; 5) a fotoáram nagysága növekszik, és egy bizonyos értéktől a fotoáram (ún. telítési áram) állandóvá válik; 6) a telítési áram nagysága a beeső fény intenzitásának növekedésével nő; 7) késleltetési érték Fig. 3. Jellemzők

a potenciál a beeső fény frekvenciájától függ; fotoáram

8) a fény hatására kilökődő elektronok sebessége nem a fény intenzitásától, hanem csak a frekvenciájától függ.

3. Einstein egyenlete

A fotoelektromos hatás jelensége és minden törvénye jól megmagyarázható a fény kvantumelméletével, amely megerősíti a fény kvantumtermészetét.

Mint már említettük, Einstein (1905) Planck kvantumelméletét kidolgozva azt az elképzelést vetette fel, hogy nemcsak a sugárzás és abszorpció, hanem a fény terjedése is részekben (kvantumokban) történik, amelyek energiája és lendülete.

FOTÓHATÁS, szilárd test elektronjainak felszabadulásával kapcsolatos jelenségek az atomon belüli kötésekből elektromágneses sugárzás hatására. Léteznek: 1) külső fotoelektromos hatás, vagy fotoelektron-emisszió, elektronok kibocsátása a felszínről... ... Modern enciklopédia

FOTÓHATÁS- elektromágneses sugárzás hatására szilárd anyagból (vagy folyadékból) elektronok felszabadulásával kapcsolatos jelenség. Léteznek:..1) külső fotoelektromos hatás, az elektronok kibocsátása fény hatására (fotoelektron emisszió), ? sugárzás stb.;..2)… … Nagy enciklopédikus szótár

FOTÓHATÁS- elektronok kibocsátása a levegőben elektromosság hatására. mag. sugárzás. F. 1887-ben nyílt meg. G. Hertz fizikus. Első alapok. F. kutatásait A. G. Stoletov (1888), majd német végezte. fizikus F. Lenard (1899). Az első elméleti. törvénymagyarázat... Fizikai enciklopédia

fotóeffektus- főnév, szinonimák száma: 2 fotóeffektus (1) effektus (29) ASIS szinonim szótár. V.N. Trishin. 2013… Szinonimák szótára

fotóeffektus- - [V.A. Semenov. Relévédelem angol-orosz szótára] Témák relévédelem HU photoeffect ... Műszaki fordítói útmutató

FOTÓHATÁS- (1) elektromotoros erő (fotóEMF) szelep létrehozása két különböző félvezető között vagy egy félvezető és egy fém között elektromágneses sugárzás hatására; (2) F. elektronok külső (fotoelektron-emissziója) ... Nagy Politechnikai Enciklopédia

fotóeffektus- A; m Phys. Egy anyag tulajdonságainak változása fényenergia hatására; fotoelektromos hatás. * * * A fotoelektromos hatás olyan jelenség, amely elektromágneses sugárzás hatására szilárd (vagy folyadék) anyagból elektronok felszabadulásával jár. Megkülönböztetni: ... ... Enciklopédiai szótár

Fotó hatás- elektromágneses sugárzás (fotonok) hatására az anyag által kibocsátott elektronok. F.-t 1887-ben fedezte fel G. Hertz. Az F első alapvető tanulmányait A. G. Stoletov (1888) végezte. Megállapította, hogy a fényáram fellépésekor a... ... Nagy Szovjet Enciklopédia

fotóeffektus- (lásd fotó... + affektus) fizikai. az anyag elektromos tulajdonságainak megváltozása elektromágneses sugárzás (fény, ultraibolya, röntgen és egyéb sugárzás) hatására, például elektronok kifelé sugárzása fény hatására (külső f.), változás . .. ... Orosz nyelv idegen szavak szótára

Könyvek

• , P.S. Tartakovszkij. Az 1940-es kiadás eredeti szerzői helyesírásával reprodukálva (GITTL kiadó). In… Vásároljon 2220 UAH-ért (csak Ukrajnában)
• Belső fotoelektromos hatás a dielektrikumokban, P.S. Tartakovszkij. Ez a könyv az Ön megrendelésének megfelelően, igény szerinti nyomtatás technológiával készül.

Az 1940-es kiadás eredeti szerzői helyesírásával reprodukálva (GITTL kiadó... Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: