Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления

• Название: 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
• Анкор: Физика 9 класс
• Дата: 13.05.2022
• Размер: 5.42 Mb.
• Имя файла: fizika_90_voprosov.docx
• Тип: Документы; #527598
• страница: 54 из 64

78. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Применение фотоэффекта.

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

Законы Столетова для фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: 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 существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света   (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если  , то фотоэффект уже не происходит.

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 h — постоянная 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 φ, покидает металл:   где   — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.

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^[2]. 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 иливентильного 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^[3].

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^[4].

Фотопьезоэлектрический эффект[править | править вики-текст]

Фотопьезоэлектрическим эффектом называется явление появления в полупроводнике фото электродвижущей силы в условиях внешнего неравномерного сжатия полупроводника^[5].

Фотомагнитный эффект[править | править вики-текст]

Фотомагнитным эффектом называется возникновение электродвижущей силы в освещенном однородном полупроводнике в магнитном поле^[5].

Ядерный фотоэффект[править | править вики-текст]

Основная статья: Фотоядерная реакция

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 основномнейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям   и  , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом^[6].

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^[7].

Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство (рис. 19.6). Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, по крыта светочувствительным слоем К с небольшим прозрачным для света участком — "окном" О для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А. От электродов К к А сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи. В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 19.7, а). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод (транзистор) Т, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока E₁, а на транзистор — от источника тока Е₂. Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.



Рис. 19.7

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор Я, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер — база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах. Фотоэлементы применяются в военном деле в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами (инфракрасными).

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, за-писанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).

Комбинация явлений фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) (рис. 19.7, б), представляющих собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов-эмиттеров. Электроны, вырванные с фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э₁, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К к Э₁. Из эмиттера Э₁ выбиваются электроны. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер Э₂ и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 10⁶, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений. Простейшее фотосопротивление (рис. 19.8) — это пластинка из диэлектрика, покрытая тонким слоем полупроводника, на поверхности которого укреплены токопроводящие электроды. При освещении пластинки возникает фотопроводимость, и в цепи, где включены фотосопротивления, идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы применяются для сортировки массовых изделий по размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.



Рис. 19.8

На рисунке 19.8 изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем (вентильным фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другом пластинки, изготовленные из металла и его оксида (полупроводника), покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его оксидом имеет одностороннюю электропроводность — электроны могут проходить лишь в направлении от оксида металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего источника напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных  батарей, которые устанавливаются на космических кораблях. Такие фото-элементы являются основной частью люксметров — приборов для измерения освещенности, а также фотоэкспонометров.