Макс Планк

Квантовые свойства света

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой Е = hv , где h - коэффициент пропорциональности — постоянная Планка, v - частота света. Опытным путем вычислили h = 6,63·10 -34 Дж·с. Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта , открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем. Далее фотоэффект изучил экспериментально русский ученый Столетов.

Фотоэффект и его законы

Схема опыта Столетова

Фотоэффект - это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта :
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых ) . Работа выхода - это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:

— это уравнение Эйнштейна.

Если hv < Авых , то фотоэффекта не происходит. Предельную частоту v min и предельную длину волны λ max называют красной границей фотоэффекта . Она выражается так: v min =A/h , λ max = λ кр = hc/A , где λ max (λ кр) – максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. Красная граница фотоэффекта для разных веществ различна, т.к. А зависит от рода вещества.

Применение фотоэффекта в технике.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в первых автомобилях.

Внутренний фотоэффект был открыт в 1873 году американцем У.Смитом и англичанином Дж.Мейем. То есть ранее, чем внешний фотоэффект.

Для наблюдения внутреннего фотоэффекта в школьных условиях можно воспользоваться фотодиодом (не путать со светодиодом) или старым транзистором, у которого аккуратно спилена металлическая крышечка, чтобы открыть доступ света к полупроводниковому кристаллу. Если его присоединить к выпрямителю и гальванометру, вы сможете наблюдать, как даже при дневном освещении проводимость кристалла резко возрастает. Такая проводимость называется фотопроводимостью.

Законы внутреннего фотоэффекта намного сложнее законов внешнего, и здесь мы не будем их рассматривать. Однако отметим, что они опираются на известные вам из химии понятия валентности, электронных уровней и др., и позволяют объяснить возникновение фотоэффекта в полупроводниках.

Внешний фотоэффект нашёл применение в технике ещё в первой половине XX века. Это, конечно же, голос прежде немого кинематографа. Фотоэлемент позволяет превратить звук, «сфотографированный» на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, изменялся и попадал на фотоэлемент (см. фото). Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике. В неживой природе внешний фотоэффект проявляется миллионы лет в планетарных масштабах. Мощное солнечное излучение, воздействуя на атомы и молекулы земной атмосферы, выбивает из них электроны, то есть ионизирует верхние слои атмосферы.

Внутренний фотоэффект в настоящее время в технике используется гораздо чаще внешнего. Например, он превращает свет в электрический ток в фотоэлементах и огромных солнечных батареях космических кораблей. Фотоэффект «работает» и в специальных светочувствительных приборах, таких как, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Благодаря этому можно считать детали на конвейере или производить автоматическое включение и выключение различных механизмов (маяки, уличное освещение, автоматическое открывание дверей и др.). Также благодаря внутреннему фотоэффекту можно преобразовывать изображение в электрические сигналы и передавать на расстояние (телевидение).

Наиболее крупномасштабное применение фотоэффекта сегодня – это уже построенные солнечные электростанции, а также проекты строительства новых таких станций мощностью до нескольких сотен мегаватт. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20% мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на Земле и в космосе.

(C) 2012. Люкина Татьяна Витальевна (Кемеровская область, г.Ленинск-Кузнецкий)

Теория

Фотоэффект - вырывание электронов из вещества под действием света. В металле электрон движется свободно, но при вылете его с поверхности сам металл из-за этого заряжается положительным зарядом и препятствует вылету. Поэтому для того, чтобы покинуть металл, электрон должен обладать дополнительной энергией, зависящей от вещества. Эта энергия называется работой выхода.

Для исследования фотоэффекта можно собрать установку, изображенную на рис. 1. Она состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух. Окно, через которое падает свет, сделано из кварцевого стекла, пропускающего видимые и ультрафиолетовые лучи. Внутри баллона впаяны два электрода: один из которых - катод - освещается через окно. Между электродами источник создает электрическое поле, которое заставляет двигаться фотоэлектроны от катода к аноду.

движущиеся электроны образуют электрический ток (фототок). При изменении напряжения меняется сила тока. График зависимости I от U - вольтамперная характеристика - приведен на рис. 2. При малых напряжениях не все вырванные из катода электроны достигают анода, при увеличении напряжения их число возрастает. При некотором напряжении все вырванные светом электроны достигают анода, тогда устанавливается ток насыщения I н , при дальнейшем увеличении напряжения ток не изменяется.

При увеличении интенсивности падающего излучения наблюдается возрастание тока насыщения, пропорционального числу вырванных электронов. 1-й закон фотоэффекта утверждает, что количество электронов, вырванных светом с поверхности металла, пропорционально поглощенной энергии световой волны.

Для измерения кинетической энергии электронов нужно поменять полярность источника тока. На графике этому случаю соответствует участок при U , на котором фототок падает до нуля. Теперь поле не разгоняет, а тормозит фотоэлектроны. При некотором напряжении, названном задерживающим U 3 , фототок исчезает. При этом все электроны будут остановлены полем, затем поле вернет их в бывший катод, подобно тому, как брошенный вверх камень будет остановлен полем тяготения Земли и возвращен снова на Землю.

Работа сил электрического поля A = qU 3 , затраченная на торможение электрона, равна изменению кинетической энергии электрона, то есть m v 2 /2 = qU 3 , где m - масса электрона, v - его скорость, q - заряд. Т.е., измеряя задерживающее напряжение U 3 , мы определяем максимальную кинетическую энергию. Оказалось, что максимальная кинетическая энергия электронов зависит не от интенсивности света, а только от частоты. Это утверждение называют 2-м законом фотоэффекта.

При некоторой граничной частоте света, которая зависит от конкретного вещества, и при более низких частотах фотоэффект не наблюдается. Эта граничная частота носит название "красной" границы фотоэффекта.

Объяснил законы фотоэффекта А. Эйнштейн в 1905 г. Он воспользовался идеей Планка о квантовой природе света. Энергия одного кванта света E = hν . Если предположить, что один квант света вырывает один электрон, то энергия кванта Е идет на совершение работы выхода электрона А и на сообщение ему кинетической энергии mv 2 /2 . То есть

hν = A + mv 2 /2 .

Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

Объясним с позиций идеи Эйнштейна 1-й закон фотоэффекта. Если один квант энергии вырывает один электрон, то чем больше квантов поглощает вещество (чем больше интенсивность света), тем больше электронов вылетит из вещества.

Объясним второй закон фотоэффекта. Работа выхода А зависит от рода вещества и не зависит от частоты света. Кинетическая энергия электрона, вырванного из вещества, mv 2 /2=h - A зависит от частоты света ν : чем больше частота, тем большую кинетическую энергию получит электрон. Интенсивность света не влияет на кинетическую энергию электрона, потому что уравнение Эйнштейна описывает энергетику одного электрона. Не важно, сколько вылетит электронов, скорость каждого из них зависит от частоты.

Формула Эйнштейна объясняет и тот факт, что свет данной частоты из одного вещества может вырвать электрон, а из другого - не может. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается в том случае, если энергия кванта света больше или, в крайнем случае, равна работе выхода (hν ≥ A ). Предельная частота, при которой еще возможен фотоэффект, ν min = A/h . Это частота, при которой совершается вырывание электронов без сообщения им кинетической энергии, - частота "красной границы" фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна запишем для случая, когда кинетическая энергия электрона равна по величине работе сил электрического поля, то есть при задерживающем напряжении:

hν = A + qU 3 .

Отсюда U 3 = -A/q + (h/q)ν.

Построим график зависимости задерживающего напряжения от частоты (рис. 3). Из формулы видно, что зависимость U 3 от ν является линейной. Тангенс угла наклона графика:

tg α = ΔU 3 /Δν = h/q .

Отсюда постоянная Планка:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

Эта формула служит для экспериментального определения постоянной Планка.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887 г. Герцем и подробно исследован в 1888 г. Л. Г. Столетовым). Если же электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов» (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 г. американским физиком У. Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдается у металлов. Если, например, цинковую пластинку, соединенную с электроскопом и заряженную отрицательно, осветить ультрафиолетовыми лучами, то электроскоп быстро разрядится; в случае положительно заряженной пластинки разрядки не происходит. Отсюда следует, что свет вырывает из металла отрицательно заряженные частицы; определение величины их заряда (выполненное в 1898 г. Дж. Дж. Томсоном) показало, что эти частицы являются электронами.

Принципиальная измерительная схема, с помощью которой исследовался внешний фотоэффект, изображена на рис. 368.

Отрицательный полюс батареи присоединен к металлической пластинке К (катод), положительный - к вспомогательному электроду а (анод). Оба электрода помещены в эвакуированный сосуд, имеющий кварцевое окно F (прозрачное для оптического излучения). Поскольку электрическая цепь оказывается разомкнутой, ток в ней отсутствует. При освещении катода К свет вырывает из него электроны (фотоэлектроны), устремляющиеся к аноду; в цепи появляется ток (фототок).

Схема дает возможность измерять силу фототока (гальванометром и скорость фотоэлектронов при различных значениях напряжения между катодом и анодом и при различных условиях освещения катода.

Экспериментальные исследования, выполненные Столетовым, а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения I (т. е. максимальное число электронов. освобождаемых светом в 1 с) прямо пропорционален световому потоку Ф:

где коэффициент пропорциональности называется фоточувствительностью освещаемой поверхности (измеряется в микроамперах на люмен, сокращенно -

2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой «красной границей» фотоэффекта.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света. Действительно, по этой теории, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны, «раскачивающей» электрон в металле. Поэтому свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности, должен был бы вырывать электроны из металла; иначе говоря, не должно было бы существовать «красной границы» фотоэффекта. Этот вывод противоречит третьему закону фотоэффекта. Далее, чем больше интенсивность света, тем большую кинетическую энергию должен был бы получить от него электрон. Поэтому скорость фотоэлектрона должна была бы возрастать с увеличением интенсивности света; этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светового потока определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому

максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (первый закон фотоэффекта).

Энергия фотона поглощенная электроном, расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла (см. § 87); оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона масса электрона, его скорость). Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно написать

Эта формула, предложенная в 1905 г. Эйнштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Эйнштейна.

Из уравнения Эйнштейна непосредственно видно, что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности (поскольку ни ни не зависят от интенсивности света). Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.

Согласно формуле (26), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (величина А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой достаточно малой частоте (или длине волны кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это имеет место при т. е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда

Формулы (27) определяют «красную границу» фотоэффекта. Из этих формул следует, что она зависит от величины работы выхода (от материала фотокатода).

В таблице приведены значения работы выхода А (в электрон-вольтах) и красной границы фотоэффекта (в микрометрах) для некоторых металлов.

(см. скан)

Из таблицы видно, что, например, цезиевая пленка, нанесенная на вольфрам, дает фотоэффект даже при инфракрасном облучении, у натрия фотоэффект может быть вызван только видимым и ультрафиолетовым светом, а у цинка - только ультрафиолетовым.

На внешнем фотоэффекте основан важный физико-технический прибор, называемый вакуумным фотоэлементом (он является некоторым видоизменением установки, схематически изображенной на рис. 368).

Катодом К вакуумного фотоэлемента служит слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность эвакуированного стеклянного баллона В (рис. 369; G - гальванометр); анод А выполнен в виде металлического кольца, помещенного в центральной части баллона. При освещении катода в цепи фотоэлемента возникает электрический ток, сила которого пропорциональна величине светового потока.

Большинство современных фотоэлементов имеет сурьмяно-цезиевые или кислородно-цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью. Кисйородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к инфракрасному и видимому свету (чувствительность сурьмяно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к видимому и ультрафиолетовому свету (чувствительность

В некоторых случаях для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют аргоном при давлении порядка 1 Па. Фототок в таком фотоэлементе усиливается вследствие ионизации аргдна, вызванной столкновениями фотоэлектронов с атомами аргона. Фоточувствительность газонаполненных фотоэлементов составляет около

Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и в меньшей мере у диэлектриков. Схема наблюдения внутреннего фотоэффекта показана на рис. 370. Полупроводниковая пластинка присоединена последовательное гальванометром к полюсам батареи. Ток в этой цепи незначителен, поскольку полупроводник обладает большим сопротивлением. Однако при освещении пластинки ток в цепи резко возрастает. Это обусловлено тем, что свет вырывает из атомов полупроводника электроны, которые, оставаясь внутри полупроводника, увеличивают его электропроводность (уменьшают сопротивление).

Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, называются полупроводниковыми фотоэлементамиили фотосопротивлениями. Для их изготовления используют селен, сернистый свинец, сернистый кадмий и некоторые другие полупроводники. Фоточувствительность полупроводниковых фотоэлементов в сотни раз превышает фоточувствительность вакуумных фотоэлементов. Некоторые фотоэлементы обладают отчетливо выраженной спектральной чувствительностью. У селенового фотоэлемента спектральная чувствительность близка к спектральной чувствительности человеческого глаза (см рис. 304, § 118).

Недостатком полупроводниковых фотоэлементов является их заметная инерционность: изменение фототока запаздывает относительно изменения освещенности фотоэлемента. Поэтому полупроводниковые

фотоэлементы непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

На внутреннем фотоэффекте основана еще одна разновидность фотоэлемента - полупроводниковый фотоэлемент с запирающий слоем или вентильный фотоэлемент. Схема этого фотоэлемента дана на рис. 371.

Металлическая пластинка и нанесенный на нее тонкий слой полупроводника соединены внешней электрической цепью, содержащей гальванометр Как было показано (см. § 90), в зоне контакта полупроводника с металлом образуется запирающий слой Б, обладающий вентильной проводимостью: он пропускает электроны только в направлении от полупроводника к металлу. При освещении полупроводникового слоя в нем, благодаря внутреннему фотоэффекту, появляются свободные электроны. Проходя (в процессе хаотического движения) через запирающий слой в металл и не имея возможности перемещаться в обратном направлении, эти электроны образуют в металле избыточный отрицательный заряд. Полупроводник, лишенный части «своих» электронов, приобретает положительный заряд. Разность потенциалов (порядка 0,1 В), возникающая между полупроводником и металлом, создает ток в цепи фотоэлемента.

Таким образом, вентильный фотоэлемент представляет собой генератор тока, непосредственно преобразующий световую энергию в электрическую.

В качестве полупроводников в вентильном фотоэлементе используют селен, закись меди, сернистый таллий, германий, кремний. Фоточувствительность вентильных фотоэлементов составляет

Коэффициент полезного действия современных кремниевых фотоэлементов (освещаемых солнечным светом) достигает по теоретическим расчетам, его можно повысить до 22%.

Поскольку фототок пропорционален световому потоку, фотоэлементы используются в качестве фотометрических приборов. К таким приборам относятся, например, люксметр (измеритель освещенности) и фотоэлектрический экспонометр.

Фотоэлемент позволяет преобразовывать колебания светового потока в соответствующие колебания фототока, что находит широкое применение в технике звукового кино, телевидения и т. п.

Исключительно велико значение фотоэлементов для телемеханизации и автоматизации производственных процессов. В сочетании с электронным усилителем и реле фотоэлемент является неотъемлемой частью автоматических устройств, которые, реагируя на световые сигналы, управляют работой различных промышленных и сельскохозяйственных установок и транспортных механизмов.

Весьма перспективным является практическое использование вентильных фотоэлементов в качестве генераторов электроэнергии. Батареи кремниевых фотоэлементов, получившие название солнечных батарей, успешно применяются на советских космических спутниках и кораблях для питания радиоаппаратуры. Для этого общая площадь фотоэлементов должна быть достаточно большой. Например, на космическом корабле «Союз-3» площадь поверхности солнечных батарей составляла около

Когда коэффициент полезного действия солнечных батарей будет повышен до 20-22%, они, несомненно, приобретут первостепенное значение среди источников, вырабатывающих электроэнергию для производственных и бытовых нужд.

Cтраница 1

Явление фотоэффекта, открытое в 1887 г. Герцем и детально исследованное А. Г. Столетовым, состоит в том, что металлы (или полупроводники) при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект исходя из волновой теории света невозможно. Однако вылет электронов наблюдается сразу же после освещения металла. Кроме того, согласно волновой теории, энергия Е3 электронов, испускаемых металлом, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. Однако было установлено, что Еэ от интенсивности света не зависит, а зависит от его частоты, увеличиваясь с ростом v; возрастание интенсивности приводит лишь к увеличению числа вылетающих из металла электронов.  

Явление фотоэффекта заключается в вырывании электронов из вещества падающим на него светом. Основные черты этого явления сводятся к следующему. Пучок света, падающий на поверхность металла, освобождает из металла электроны при условии, что частота света выше определенного критического значения, зависящего от рода металла. Количество вырываемых в единицу времени электронов при неизменном спектральном составе излучения пропорционально падающему на поверхность металла световому потоку.  

Статические характеристики германиевого фотодиода.

Явление фотоэффекта можно использовать также в р-п-переходе, на который подано обратное напряжение.  

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра.  

Явление фотоэффекта, открытое в 1889 г. А. Г. Столетовым, состоит в том, что металлы (или полупроводники) при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект, исходя из волновой теории света, невозможно. Однако вылет электронов наблюдается сразу же после освещения металла. Кроме того, согласно волновой теории, энергия Еа электронов, испускаемых металлом, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. Однако было установлено, что Еэ от интенсивности света не зависит, а зависит от его частоты, увеличиваясь с ростом v; возрастание интенсивности приводит лишь к увеличению числа вылетающих из металла электронов.  

Явление фотоэффекта, открытое А. Г. Столетовым в 1888 г., заключается в том, что под действием света с поверхности различных тел вырываются электроны, вследствие чего данное тело приобретает заряд. Причем это явление наблюдается только при условии, если энергия светового кванта больше работы, необходимой для отрыва электрона с поверхности данного вещества, и сообщения ему некоторой кинетической энергии.  

Явление фотоэффекта состоит в том, что лучи света, падая на любое тело (независимо от его химической природы и физического состояния), выбивают из него электроны.  

Явление фотоэффекта было впервые обнаружено в 1819 г. русским химиком Гротгусом.  

Впервые явление фотоэффекта было замечено Герцем в 1887 г. Герц обнаружил, что облучение искрового промежутка ультрафиолетовыми лучами облегчает разряд.  

Сущность явления фотоэффекта состоит в том, что при освещении поверхности металлов или полупроводников частицы лучистой энергии проникают в поверхностные слои освещенного тела и сообщают его электронам дополнительную энергию. В результате этого электроны освещенного тела начинают двигаться с большими скоростями и выходят со своих обычных орбит движения. Это явление убыстрения движения электронов освещенного тела под действием лучистой энергии и названо явлением фотоэффекта.  

В явлении фотоэффекта электроны, вырываемые с поверхности металла излучением частотой 2 - 104 Гц, полностью задерживаются тормозящим полем при разности потенциалов 7 В, а при частоте 4 - Ю1 Гц - при разности потенциалов 15 В.