Фотоэффект

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
 Просмотр этого шаблона  Квантовая механика

Принцип неопределённости
Введение
Математические основы
См. также: Портал:Физика

Фотоэффе́кт или фотоэлектрический эффект — испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы внешнего фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта (закона Столетова): Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где hпостоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода A, покидает металл: где — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла. Это и есть поглотивший его фотон.

История открытия[править | править вики-текст]

В 1839 году Александр Беккерель наблюдал[1] фотовольтаический эффект в электролите.

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим[2][источник не указан 241 день].

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем[3][4][5]. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.

В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов[6], опубликовавший 6 работ[7][8][9][10][11][12]. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта[источник не указан 241 день].

Ещё Столетов пришёл к выводу, что "Разряжающим действием обладают, если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими лучами, лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре", то есть вплотную подошёл к выводу о существовании красной границы фотоэффекта. В 1891 г. Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным.[13]

Томсон в 1898 году экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости следует понимать как увеличение числа выбитых электронов с ростом освещённости.

Исследования фотоэффекта Филиппом Ленардом в 1900-1902 годах показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

Схема эксперимента по исследованию фотоэффекта. Из света берётся узкий диапазон частот и направляется на катод внутри вакуумного прибора. Напряжением между катодом и анодом устанавливается энергетический порог между ними. По току судят о достижении электронами анода.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где A — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), — максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона, — частота падающего фотона с энергией , hпостоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта при T = 0 K, то есть существование наименьшей частоты (), ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

В 1906-1915 годах фотоэффект изучал Милликен. Он смог установить точную зависимость запирающего напряжения от частоты (действительно оказавшуюся линейной) и на его основании смог вычислить постоянную Планка. "Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г., - писал Милликен, - и вопреки всем моим ожиданиям я вынужден был в 1915 г. безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность, так как казалось, что оно противоречит всему, что мы знаем об интерференции света". В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Внешний фотоэффект[править | править вики-текст]

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта[править | править вики-текст]

  1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):
    и
  2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
  3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Теория Фаулера[править | править вики-текст]

Основные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера[14]. Согласно ей, после поглощения в металле фотона его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми — Дирака и возбуждённым (сдвинутым на ) распределением по энергиям. Плотность фототока определяется формулой Фаулера:

где , ,  — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла. Формула справедлива при энергиях возбуждения фотоэмиссии, не превышающих значения работы выхода металла более чем на несколько электронвольт. Теория Фаулера верна только в случае падения света по нормали к поверхности.

Квантовый выход[править | править вики-текст]

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y — число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов.

Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней УФ-областях Y < 0,001 электрон/фотон. Это связано, прежде всего, с малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти в вакуум. При энергии фотонов вблизи порога фотоэффекта большинство фотоэлектронов возбуждается ниже уровня вакуума и не даёт вклада в фотоэмиссионный ток. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ-областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Эти ограничения частично снимаются в дальней УФ-области спектра, где Y достигает величины 0,01 электрон/фотон при энергии фотонов E > 10 эВ.

Внутренний фотоэффект[править | править вики-текст]

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект[править | править вики-текст]

Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

Фотовольтаический эффект[править | править вики-текст]

Фотовольтаический эффект — возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения[15].

Сенсибилизированный фотоэффект[править | править вики-текст]

Сенсибилизированным фотоэффектом называется фотоэффект, сопровождающийся явлением сенсибилизации, то есть изменением величины и спектра фоточувствительности в широкозонных фотопроводниках органической и неорганической природы в зависимости от структуры молекулярных соединений[16].

Фотопьезоэлектрический эффект[править | править вики-текст]

Фотопьезоэлектрическим эффектом называется явление появления в полупроводнике фото электродвижущей силы в условиях внешнего неравномерного сжатия полупроводника[17].

Фотомагнитный эффект[править | править вики-текст]

Фотомагнитным эффектом называется возникновение электродвижущей силы в освещенном однородном полупроводнике в магнитном поле[17].

Ядерный фотоэффект[править | править вики-текст]

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом[18].

Многофотонный фотоэффект[править | править вики-текст]

В сильном электромагнитном поле с атомом в элементарном акте фотоэффекта могут взаимодействовать несколько фотонов. В этом случае ионизация атома возможна с помощью излучения с энергией квантов . Зарегистрирована шести- и семи- фотонная ионизация инертных газов[19].

Современные исследования[править | править вики-текст]

Как показали эксперименты в национальном метрологическом институте Германии Physikalisch-Technische Bundesanstalt, результаты которых опубликованы 24 апреля 2009 года в Physical Review Letters[20], в мягком рентгеновском диапазоне длин волн при плотности мощности на уровне нескольких петаватт (1015 Вт) на квадратный сантиметр общепринятая теоретическая модель фотоэффекта может оказаться неверной.

Сравнительные количественные исследования различных материалов показали, что глубина взаимодействия между излучением и веществом существенно зависит от структуры атомов этого вещества и корреляции между внутренними электронными оболочками. В случае c ксеноном, который использовался в экспериментах, воздействие пакета фотонов в коротком импульсе приводит, по всей видимости, к одновременной эмиссии множества электронов с внутренних оболочек[21].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. A. E. Becquerel (1839). «Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires». Comptes Rendus 9: 561—567
  2. Smith, W. (1873). "Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current". Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0
  3. http://www.britannica.com/science/photoelectric-effect "The photoelectric effect was discovered in 1887 by the German physicist Heinrich Rudolf Hertz."
  4. H. Hertz (1887), Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung (An effect of ultraviolet light on electrical discharge) / Ann. Phys., 267: 983–1000. doi: 10.1002/andp.18872670827 (нем.)
  5. Stig Lundqvist, Physics, 1901-1921 // World Scientific, 1998, ISBN 9789810234010, p.121 (англ.)
  6. БСЭ, ФОТОЭФФЕКТ
  7. Stoletow, A. (1888). «Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets». Comptes Rendus CVI: 1149. (Reprinted in (1888) «On a kind of electric current produced by ultra-violet rays». Philosophical Magazine Series 5 26 (160): 317. DOI:10.1080/14786448808628270.; abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  8. Stoletow, A. (1888). «Sur les courants actino-electriques au travers deTair». Comptes Rendus CVI: 1593. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  9. Stoletow, A. (1888). «Suite des recherches actino-électriques». Comptes Rendus CVII: 91. (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  10. Stoletow, A. (1889). «Sur les phénomènes actino-électriques». Comptes Rendus CVIII: 1241.
  11. Stoletow, A. (1889). «Актино-электрические исследовaния» (Russian). Journal of the Russian Physico-chemical Society 21: 159.
  12. Stoletow, A. (1890). «Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié». Journal de Physique 9: 468. DOI:10.1051/jphystap:018900090046800.
  13. Дуков В. М. Исторические обзоры в курсе физики средней школы. М., Просвещение 1983г. 160 с.
  14. Л. Н. Добрецов, М. В. Гомоюнова. Эмиссионная электроника. — М.: Наука, 1966. — С. 564.
  15. Фотовольтаический эффект — статья из Большой советской энциклопедии.
  16. Акимов И.А., Черкасов Ю.А., Черкашин М.И. Сенсибилизированный фотоэффект. — М.: Наука, 1980. — С. 384.
  17. 1 2 Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: ИЛ, 1962. — С. 141.
  18. А. Н. Климов. Ядерная физика и ядерные реакторы. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — С. 352.
  19. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969. — С. 431.
  20. Phys. Rev. Lett. 102, 163002 (2009): Extreme Ultraviolet Laser Excites Atomic Giant Resonance
  21. Обнаружены ограничения классического фотоэффекта для рентгеновского излучения | Нанотехнологии Nanonewsnet

Ссылки[править | править вики-текст]