Реферат: Фотоэффект
Содержание
Введение
1. История открытияфотоэффекта
2. Законы Столетова
3. Уравнение Эйнштейна
4. Внутренний фотоэффект
5. Применение явленияфотоэффекта
Список литературы
Введение
Многочисленныеоптические явления непротиворечиво объясняли, исходя из представлений оволновой природе света. Однако в конце XIX – начале XX в. были открыты иизучены такие явления, как фотоэффект, рентгеновское излучение, эффектКомптона, излучение атомов и молекул, тепловое излучение и другие, объяснениекоторых с волновой точки зрения оказалось невозможным. Объяснение новыхэкспериментальных фактов было получено на основе корпускулярных представлений оприроде света. Возникла парадоксальная ситуация, связанная с применениемсовершенно противоположных физических моделей волны и частицы для объясненияоптических явлений. В одних явлениях свет проявлял волновые свойства, в других– корпускулярные.
Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы. [1]
1. История открытияфотоэффекта
Открытиефотоэффекта следует отнести к 1887 г., когда Герц обнаружил, что освещениеультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося поднапряжением, облегчает проскакивание искры между ними.
Явление,обнаруженное Герцом, можно наблюдать на следующем легко осуществимом опыте(рис. 1).
/>
Величинаискрового промежутка F подбирается таким образом, что в схеме, состоящей изтрансформатора Т и конденсатора С, искра проскакивает с трудом (один – два разав минуту). Если осветить электроды F, сделанные из чистого цинка, светом ртутнойлампы Hg, то разряд конденсатора значительно облегчается: искра начинаетпроскакивать Рис. 1.Схема опыта Герца.
Фотоэффектбыл объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он получил Нобелевскуюпремию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейнасодержалась важная новая гипотеза – если Планк предположил, что свет излучаетсятолько квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существуеттолько в виде квантовых порций. Из представления о свете как о частицах (фотонах)немедленно следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:
/>,
где /> – кинетическая энергиявылетающего электрона, /> – работа выходадля данного вещества, /> – частотападающего света, /> – постояннаяПланка, которая оказалась ровно той же, что и в формуле Планка для излученияабсолютно чёрного тела.
Из этойформулы следует существование красной границы фотоэффекта. Таким образом,исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантово – механическихисследований.
2. ЗаконыСтолетова
Впервые (1888–1890),подробно анализируя явление фотоэффекта, русский физик А.Г. Столетовполучил принципиально важные результаты. В отличие от предыдущих исследователейон брал малую разность потенциалов между электродами. Схема опыта Столетовапредставлена на рис. 2.
/>
Два электрода(один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены кбатарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силытока. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов пришел к выводу, чтонаиболее эффективное действие оказывают ультрафиолетовые лучи. Кроме того, былоустановлено, что сила тока, возникающего под действием света, прямопропорциональна его интенсивности.
В 1898 г.Ленард и Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном поляхопределили удельный заряд заряженных частиц, вырываемых Рис. 2. Схема опытаСтолетова.
светом из катода,и получили выражение
/> СГСЕ ед. з/г,совпадающее с известным удельным зарядом электрона. Отсюда следовало, что поддействием света происходит вырывание электронов из вещества катода.
Путемобобщения полученных результатов были установлены следующие закономерностифотоэффекта:
1. Принеизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямопропорциональна падающему на катод световому потоку.
2. Начальнаякинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростомчастоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Фотоэффектне возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждогометалла величины />, называемой краснойграницей.
Первуюзакономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легкообъяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле,воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитудавынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроныпокидают металл; тогда и наблюдается фотоэффект.
Ввиду того,что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональнаквадрату электрического вектора, число вырванных электронов растет сувеличением интенсивности света.
Вторая итретья закономерности фотоэффекта законами классической физики не объясняются.
/>
Изучаязависимость фототока (рис. 3), возникающего при облучении металла потокоммонохроматического света, от разности потенциалов между электродами (такаязависимость обычно называется вольт – амперной характеристикой фототока),установили, что: 1) фототок возникает не только при />,но и при />; 2) фототок отличен отнуля до строго определенного для данного металла отрицательного значенияразности потенциалов />, так называемогозадерживающего потенциала; 3) величина запирающего (задерживающего) потенциалане зависит от интенсивности падающего света; 4) фототок растет с уменьшениемабсолютного значения задерживающего потенциала; 5) величина фототока растет сростом /> и с какого-тоопределенного значения /> фототок (такназываемый ток насыщения) становится постоянным; 6) величина тока насыщениярастет с увеличением интенсивности падающего света; 7) величина задерживающего Рис. 3.Характеристика
потенциалазависит от частоты падающего света; фототока.
8) скоростьвырванных под действием света электронов не зависит от интенсивности света, азависит только от его частоты. [2]
3. Уравнение Эйнштейна
Явлениефотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовойтеории света, что подтверждает квантовую природу света.
Как уже былоотмечено, Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию Планка, выдвинулидею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространениесвета происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых:
/> />,
/>,
где /> – единичный вектор,направленный по волновому вектору. Применяя к явлению фотоэффекта в металлахзакон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:
/>, (1)
где /> — работа выхода электронаиз металла, /> – скорость фотоэлектрона.Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, причемчасть энергии падающего фотона тратится на совершение работы выхода электронаметалла, оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию />.
Как следуетиз (1), фотоэффект в металлах может возникнуть только при />, в противном случаеэнергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла.Наименьшая частота света />, поддействием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия
/>,
откуда
/>. (2)
Частотасвета, определяемая условием (2), называется «красной границей» фотоэффекта.Слово «красная» не имеет никакого отношения к цвету света, при которомпроисходит фотоэффект. В зависимости от рода металлов «красная граница»фотоэффекта может соответствовать красному, желтому, фиолетовому,ультрафиолетовому свету и т. д.
С помощьюформулы Эйнштейна можно объяснить и другие закономерности фотоэффекта.
/>
Положим, что />, т. е. между анодом икатодом существует тормозящий потенциал. Если кинетическая энергия электроновдостаточна, то они, преодолев тормозящее поле, создают фототок. В фототокеучаствуют те электроны, для которых удовлетворяется условие />. Величина задерживающегопотенциала определяется из условия
/>, (3)
где /> – максимальная скоростьвырванных электронов. Рис. 4.
Подставив (3)в (1), получим
/>,
откуда
/>.
Такимобразом, величина задерживающего потенциала не зависит от интенсивности, азависит только от частоты падающего света.
Работу выходаэлектронов из металла и постоянную Планка можно определить, построив графикзависимости />/> отчастоты падающего света (рис. 4). Как видно, /> иотрезок, отсекаемый от оси потенциала, дает />.
Ввиду того,что интенсивность света прямо пропорциональна количеству фотонов, увеличениеинтенсивности падающего света приводит к увеличению числа вырванных электронов,т. е. к увеличению фототока.
ФормулаЭйнштейна для фотоэффекта в неметаллах имеет вид
/>.
Наличие /> – работы отрыва связанногоэлектрона от атома внутри неметаллов – объясняется тем, что в отличие отметаллов, где имеются свободные электроны, в неметаллах электроны находятся всвязанном с атомами состоянии. Очевидно, при падении света на неметаллы частьсветовой энергии тратится на фотоэффект в атоме – на отрыв электрона от атома,а оставшаяся часть тратится на работу выхода электрона и сообщение электронукинетической энергии. [2]
/>
Электроныпроводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве. Этообъясняется тем, что металл представляет для них потенциальную яму. Покинутьметалл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточнойдля преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы,обуславливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удалениеэлектрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновениюв том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда.Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скоростькоторого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электронывсе время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколькомежатомных расстояний и затем поворачивают обратно. В результате металлоказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместнос наружным слоем ионов двойной электрический слой (рис. 5; кружки – ионы,черные точки – электроны). Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрьметалла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металланаружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона />(рис. 5).
/>
Такимобразом, потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чемвне металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы /> (рис. 6). Изменениеэнергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний, поэтомустенки ямы можно считать вертикальными.
Потенциальнаяэнергия электрона /> Рис. 6.
и потенциал /> той точки, в которойнаходится электрон, имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что потенциалвнутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости к егоповерхности, на величину />.
Сообщениеметаллу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал как наповерхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электронасоответственно уменьшается (рис. 7, а).
/>
а) б)
Рис. 7.
За началоотсчета приняты значения потенциала и потенциальной энергии на бесконечности.Сообщение отрицательного заряда понижает потенциал внутри и вне металла.Соответственно потенциальная энергия электрона возрастает (рис. 7, б).
Полнаяэнергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий.При абсолютном нуле значения кинетической энергии электронов проводимостизаключены в пределах от нуля до совпадающей с уровнем ферми энергии />. На рис. 8энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (пунктиромизображены незанятые при 0К уровни). Для удаления за пределы металла разнымэлектронам нужно сообщить не одинаковую энергию. Так, электрону, находящемусяна самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию />; для электрона,находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия />.
Наименьшаяэнергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его изтвердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода. Работавыхода электрона из металла определяется выражением
/>. (4)
/>
Мы получилиэто выражение в предположении, что температура металла равна 0К. При другихтемпературах работу выхода также определяют как разность глубины потенциальнойямы и уровня Ферми, т. е. распространяют определение (4) на любыетемпературы. Это же определение применяется и для полупроводников.
Уровень Фермизависит от температуры. Кроме того, из – за обусловленного тепловым расширениемизменения средних расстояний между атомами слегка изменяется глубинапотенциальной ямы />. Это приводит ктому, что работа выхода немного зависит от температуры.
Работа выходаочень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к ее чистоте.Подобрав надлежащим образом Рис. 8.
покрытиеповерхности, можно сильно снизить работу выхода. Так, например, нанесение наповерхность вольфрама слоя окисла щелочноземельного металла (Ca, Sr, Ba) снижает работу выхода с4,5 эВ (для чистого W) до 1,5 – 2 эВ. [4]
4. Внутренний фотоэффект
Выше мыговорили об освобождении электронов из освещаемой поверхности вещества ипереходе их в другую среду, в частности в вакуум. Такое испускание электроновназывают фотоэлектронной эмиссией, а само явление внешнимфотоэффектом. Наряду с ним известен также и широко используется впрактических целях так называемый внутренний фотоэффект, при котором, вотличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутриосвещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в веществеизменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит кизменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света.Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. Его можнообнаружить, в частности, по изменению проводимости однородных полупроводниковпри их освещении. На основе этого явления – фотопроводимости создана ипостоянно совершенствуется большая группа приемников света – фоторезисторов.Для них используется в основном селенид и сульфид кадмия.
Внеоднородных полупроводниках наряду с изменением проводимости наблюдается такжеобразование разности потенциалов (фото – э.д.с.). Это явление(фотогальванический эффект) обусловлено тем, что в силу однородностейпроводимости полупроводников происходит пространственное разделение внутриобъема проводника оптически возбужденных электронов, несущих отрицательныйзаряд и микрозон (дырок), возникающих в непосредственной близости от атомов, откоторых оторвались электроны, и подобно частицам несущих положительныйэлементарный заряд. Электроны и дырки концентрируются на разных концахполупроводника, вследствие чего и возникает электродвижущая сила, благодарякоторой и вырабатывается без приложения внешней э.д.с. электрический ток внагрузке, подключенной параллельно освещенному полупроводнику. Таким образомдостигается прямое преобразование световой энергии в электрическую. Именно поэтой причине фотогальванические приемники света и используются не только длярегистрации световых сигналов, Нои в электрических цепях как источникиэлектрической энергии.
Основныепромышленно выпускаемые типы таких приемников работают на основе селена исернистого серебра. Весьма распространен также кремний, германий и рядсоединений – GaAs, InSb, CdTe и другие. Фотогальванические элементы, используемые дляпреобразования солнечной энергии в электрическую, приобрели особенно широкоеприменение в космических исследованиях как источники бортового питания. Ониобладают относительно высоким коэффициентом полезного действия (до 20 %),весьма удобны в условиях автономного полета космического корабля. В современныхсолнечных элементах в зависимости от полупроводникового материала фото – э.д.с.достигает 1 – 2 В, съем тока с /> – несколькихдесятков миллиампер, а на 1 кг массы выходная мощность достигает сотен ватт.[1]
5.Применение явления фотоэффекта
В настоящеевремя на основе внешнего и внутреннего фотоэффекта строится бесчисленноемножество приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический иобъединенных общим названием – фотоэлементы. Они находят весьма широкоеприменение в технике и в научных исследованиях. Самые разные объективныеоптические измерения немыслимы в наше время без применения того или иного типафотоэлементов. Современная фотометрия, спектрометрия и спектрофотометрия вширочайшей области спектра, спектральный анализ вещества, объективное измерениевесьма слабых световых потоков, наблюдаемых, например, при изучении спектровкомбинационного рассеяния света, в астрофизике, биологии и т. д.трудно представить себе без применение фотоэлементов; регистрация инфракрасныхспектров часто осуществляется специальными фотоэлементами для длинноволновойобласти спектра. Необычайно широко используются фотоэлементы в технике:контроль и управление производственными процессами, разнообразные системы связиот передачи изображения и телевидения до оптической связи на лазерах икосмической техники представляют собой далеко не полный переченьразнообразнейших технических вопросов в современной промышленности и связи.
Историясоздания фотоэлементов насчитывает уже более 130 лет. Первый фотоэлемент,основанный на внутреннем фотоэффекте и использующий явление фотопроводимости,был построен в 1875 г., первый же вакуумный фотоэлемент, основанный навнешнем фотоэффекте, был построен в 1889 г. Промышленное производствовакуумных фотоэлементов в России было организовано П.В. Тимофеевым в 1930 г.Интересно отметить, что фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, раньшеприобрели широкое развитие, хотя внутренний фотоэффект был открыт по крайнеймере на 50 лет раньше. Только в сороковых годах нашего столетия благодарябурному развитию физики полупроводников и детальному изучению внутреннегофотоэффекта началось создание новых фотоэлементов на основе полупроводниковыхматериалов.
Огромноеразнообразие задач, решаемых с помощью фотоэлементов, вызвало к жизничрезвычайно большое разнообразие типов фотоэлементов с различными техническимихарактеристиками. Выбор оптимального типа фотоэлементов для решения каждойконкретной задачи основывается на знании эти характеристик. Для фотоэлементов свнешним фотоэффектом (вакуумных фотоэлементов) необходимо знание следующиххарактеристик: рабочая область спектра; относительная характеристика спектральнойчувствительности (она строится как зависимость от длины волны падающего светабезразмерной величины отношения спектральной чувствительности примонохроматическом освещении к чувствительности в максимуме этойхарактеристики); интегральная чувствительность (она определяется при освещениифотоэлемента стандартным источником света); величина квантового выхода(процентное отношение числа эмитированных фотоэлектронов к числу падающих нафотокатод фотонов); инерционность (для вакуумных фотоэлементов она определяетсяобычно через время пролета электронов от фотокатода к аноду). Важным параметромслужит также темновой ток фотоэлемента, который складывается из термоэмиссиифотокатода при комнатной температуре и тока утечки.
В зависимостиот материала фотокатода и материала колбы фотоэлемента их можно применять вдиапазоне 0,2 – 1,1 мкм. Их интегральная чувствительность лежит в пределах 20 –100 мкА на 1 лм светового потока, а термоэмиссия – в пределах />. Очень важным достоинствомвакуумных фотоэлементов является их высокое постоянство и линейность связисветового потока с фототоком. Поэтому они длительное время преимущественноиспользовались в объективной фотометрии, спектрометрии, спектрофотометрии испектральном анализе в видимой ультрафиолетовой областях спектра. Главнымнедостатком вакуумных фотоэлементов при световых измерениях следует считатьмалость электрических сигналов, вырабатываемых этими приемниками света. Последнийнедостаток полностью устраняется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ),представляющих как бы развитие фотоэлементов. ФЭУ были впервые построены в 1934 г.
/>
Рис. 9.Схема устройства фотоумножителя
Принципдействия ФЭУ можно проследить на рис 9. Фотоэлектроны, эмитируемые с фотокатодаФК под действием электрического поля, ускоряются и попадают на первыйпромежуточный электрод />. Падая на него,фотоэлектроны вызывают эмиссию вторичных электронов, причем в определенных условияхэта вторичнаяэмиссияможет в несколько раз превышать первоначальный поток фотоэлектронов.Конфигурация электродов такова, что большинство фотоэлектронов попадает наэлектрод />, а большинство вторичныхэлектронов попадает на следующий электрод />,где процесс умножения повторяется, и т. д. Вторичные электроны споследнего из электродов (динодов), а их бывает до 10 – 15, собираются на анод.Общий коэффициент усиления таких систем достигает />,а интегральная чувствительность ФЭУ достигает тысяч ампер на люмен. Это,конечно, не означает возможности получения больших токов, а свидетельствуетлишь о возможности измерения малых световых потоков.
Очевидно, теже технические характеристики, что и у вакуумных фотоэлементов, а такжекоэффициент усиления и его зависимость от питающего напряжения полностьюхарактеризуют ФЭУ. В настоящее время последние повсеместно вытесняют вакуумныефотоэлементы. К недостаткам ФЭУ следует отнести необходимость примененияисточника высоковольтного и стабилизированного питания, несколько худшуюстабильность чувствительности и большие шумы. Однако путем примененияохлаждения фотокатодов и измерения не выходного тока, а числа импульсов, изкоторых каждый соответствует одному фотоэлектрону, эти недостатки могут быть взначительной степени подавлены.
Большимпреимуществом всех приемников света, использующих внешний фотоэффект, являетсято обстоятельство, что их фототок не изменяется при изменении нагрузки. Этоозначает, что при малых значениях фототока можно применить практически скольугодно большое сопротивление нагрузки и тем самым достичь значения падениянапряжения на нем, достаточно удобного для регистрации и усиления. С другойстороны, заменяя сопротивление на емкость, можно, измеряя напряжение на этойемкости, получать величину, пропорциональную усредненной величине световогопотока за заданный интервал времени. Последнее чрезвычайно важно в тех случаях,когда необходимо измерить световой поток от нестабильного света – ситуация,типичная для спектроаналитических измерений.
Спектрометрияв инфракрасной области спектра не может производиться с помощью вакуумныхфотоэлементов и ФЭУ по той причине, что современные фотокатоды имеют краснуюграницу не выше 1100 нм. Однако уже сейчас известны материалы, позволяющиепродвинуться до 3 – 4 мкм. Поэтому в инфракрасной области применяютсяфотоэлементы, работающие на основе внутреннего фотоэффекта. Сюда следуетотнести неохлаждаемые фоторезисторы на основе InSb, PbSe и PbS, которые могут бытьиспользованы до 6 мкм, и глубоко охлаждаемые фоторезисторы на основе германия,легированного золотом, цинком, медью и другими металлами, пригодные до 40 мкм.
Для измеренияв более длинноволновой области спектра применяются тепловые приемники;последние либо изменяют свою проводимость, либо на них создается э.д.с. принагревании падающим излучением.
Полупроводниковыефотоэлементы характеризуются не строгой линейностью зависимости величиныэлектрического сигнала от освещения. Этот недостаток, равно как и непостоянствочувствительности фотоэлемента, нестабильность его питания, а также дрейфусиления измерительной схемы, устраняется применением двухлучевой системы, вкоторой измеряется не абсолютное значение интенсивности света, прошедшего черезпоглощающее вещество, а ее отношение к интенсивности света просвечивающегоисточника.
В чрезвычайнобольшом числе случаев применения фотоэлементов не предъявляются строгиетребования к их измерительным свойствам. Поэтому фотоэлементы, работающие наоснове внутреннего фотоэффекта, в силу их малых габаритов, низких напряженийпитания и ряда конструктивных достоинств повсеместно применяются дляавтоматических систем, систем управления, преобразования солнечной энергии,контроля производства и т. д., за исключением тех случаев, когдаотносительно невысокие инерционные свойства этих фотоэлементов препятствуют ихиспользованию. [1]
Списоклитературы
1. Ландсберг Г.С. Оптика.Учеб. пособие. – 5-е изд. испр. – М.: Наука. Главная редакция физико –математической литературы, 1976. – 928 с.
2. Годжаев Н.М. Оптика.Учеб. пособие для вузов. – М.: «Высшая школа», 1977. – 432 с.
3. Шпольский Э.В. Атомнаяфизика. Том 1: Введение в атомную физику. Учебное пособие. – 7-е изд. исправл.– М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 552 с.
4. Савельев И.В. Курсобщей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика.Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – 3-е изд.испр. – М.: Наука, Гл. ред. физ. – мат. лит., 1987. – 320 с.
5. Гершензон Е.М., МаловН.Н., Мансуров А.Н. Оптика и атомная физика: Учеб. пособие для студ. высш.пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 408 с.