катановские чт. Исследования

• Название: Исследования
• Дата: 01.06.2021
• Размер: 198.4 Kb.
• Имя файла: катановские чт.docx
• Тип: Закон; #212834

Объект исследования: Фотоэффект

Предмет исследования: Квантовые представления о явлении фотоэффекта

Цель исследования: Рассмотреть развитие квантовых представлений о фотоэффекте

Задачи:

1. 
   Найти, изучить и проанализировать литературу по теме исследования;
   
2. 
   Ввести понятие фотоэффекта и его законы и характеристики;
   
3. 
   Привести историю развития представлений о явлении фотоэффекта;
   
4. 
   Обозначить трудности объяснения фотоэффекта с точки зрения электродинамики;
   
5. 
   Рассмотреть уравнение Энштейна.
   

Классическая электродинамика отказалась работать когда её попытались использовать для описания излучения нагретого тела (так называемого теплового излучения). Суть проблемы состояла в том, что простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Как мы прекрасно знаем, ничего подобного не наблюдается. Гипотеза Планка, блестяще решила задачу теплового излучения черного тела.

Электромагнитная энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями — квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения:

. (1)

Cоотношение (1) называется формулой Планка, а коэффициент пропорциональности h — постоянной Планка.
Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта– явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории.

Эффект внешнего фотоэффекта из металлов случайно обнаружил и дал описание Генрих Герц (1857—1894) в 1887 году. Он исследовал распространение электромагнитных волн от излучающего резонатора к приемнику. Чтобы лучше видеть проскакивающую искру в излучателе, Герц закрыл приемник экраном. Тогда обнаружилось, что искра проскакивает при меньшем напряжении между электродами . Как оказалось, причиной этого явилось освещение экрана светом электрической дуги. В то время Герц был всецело увлечен доказательством существования электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Поэтому обнаруженный эффект его не заинтересовал. Факт вызвал всеобщий интерес и был подвергнут обстоятельному изучению.

Этот эффект переоткрыли в 1888 году Вильгельм Гальвакс (1859—1922), он показал, что при освещении ультрафиолетовым излучением металлическая пластинка заряжается положи тельно., Аугусто Риги (1850-1921) впервые наблюдал фотоэффект в случае диэлектриков (эбонит, сера) и предложил термин «фотоэлемент».

Количественное изучение явления, приведшее к установлению определенных закономерностей, а затем к раскрытию его природы, было начато А. Г. Столетовым (1839—1896), он подверг фотоэффект систематическому экспериментальному исследованию. Он создал первый фотоэлемент и применил его на практике, так же открыл один из законов фотоэффекта — прямую пропорциональность силы фототока от интенсивности падающего света, и обнаружил фототок насыщения.

В своих знаменитых экспериментах Столетов использовал фотоэлемент1 собственной конструкции. Его схема изображена на рис.1.

В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (чтобы не мешать лететь электронам), введены два электрода: цинковый катод K и анод A. На катод и анод подаётся напряжение, величину которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром .


Рис. 1. Фотоэлемент Столетова
Сейчас на катод подан «минус», а на анод — «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака — существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод . В данном случае, например, напряжение положительно. Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны e, которые разгоняются напряжением и летят на анод. Включённый в цепь миллиамперметр регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами. В опытах Столетова можно независимо варьировать три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.

В 1899 году Дж. Дж. Томсон и Ленард определили удельный заряд частиц, вылетающих с поверхности освещаемого тела. Он оказался таким же, как для катодных лучей. Так было доказано, что с освещаемой поверхности вылетают электроны. В 1902 году Ленард установил, что энергия вылетающих электронов совершенно не зависит от интенсивности падающего света и прямо пропорциональна его частоте. Этот факт невозможно объяснить на основе классических представлений. Действительно, по классическим представлениям электрон в световом поле совершает колебания, амплитуда котрых должна возрастать с увеличением интенсивности волны. Тогда, естественно, должно расти количество электронов, способе вырваться с поверхности тела. Этого, однако, не наблюдается.

На сей день различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

Внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла.

Внутренний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

Он представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом (далее будем рассматривать только полупроводники) может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. В этом случае лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает повышение температуры тела.

Вентильный фотоэффект.

Вентильный фотоэффект, является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Электропроводимость чистых и примесных полупроводников не зависит от направления тока. Если создать контакт из полупроводников с различными типами проводимостей, так называемый p–n контакт, то он может выполнять роль электрического вентиля, т. е. пропускать ток преимущественно в одном направлении.

Законы фотоэффекта

Если не менять интенсивность света, но увеличивать напряжение, то сила фототока возрастает, но до определенного максимального значения, и далее остается постоянной. Максимальное значение силы тока Iнас называется током насыщения. Т.о. все электроны, выбиваемые светом из катода достигают анода. Дальнейший рост тока невозможен. Ток насыщения определяется числом электронов испускаемых за 1с освещаемым электродом.



Обнаружено что, когда напряжение между электродами равно нулю, ток в таком случае не прекращается. При увеличении интенсивности излучения и при неизменном напряжении сила фототока возрастает. Следовательно, сила фототока зависит от интенсивности падающего излучения. От частоты излучения сила фототока не зависит. Ток насыщения определяет количество выбитых светом электронов.

Первый закон фотоэффекта. Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).

Если полюсы источника поменять местами, то электрическое поле между электродами будет тормозить вырванные электроны. При таком подключении значение напряжения U0, при котором электрический ток в цепи прекращается, зависит от частоты (длины волны) падающего излучения и не за висит от интенсивности этого излучения. Прекращение электрического тока в цепи означает, что и самые быстрые электроны, получившие от излучения наибольшую кинетическую энергию, не могут преодолеть пространство между электронами с разностью потенциалов U0. Следовательно, по величине тормозящего напряжения можно определить максимальное значение кинетической энергии (скорости) фотоэлектронов. Соответственно, скорость электронов (их кинетическая энергия) зависит от частоты излучения, но не зависит от его интенсивности.



Второй закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает ( E=h - A ) с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Третий закон фотоэффекта. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — наименьшая частота света , при которой фотоэффект ещё возможен. При фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света.( )

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света. 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, не должно было бы существовать «красной границы» фотоэффекта. Этот вывод противоречит третьему закону фотоэффекта. С точки зрения волновой теории, 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 и второму закону фотоэффекта. Законы 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).

Действительно, по классическим представлениям электрон в световом поле совершает колебания, амплитуда котрых должна возрастать с увеличением интенсивности волны. Тогда, естественно, должно расти количество электронов, способе вырваться с поверхности тела. Этого, однако, не наблюдается.

Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света — это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики. Эйнштейн пошёл ещё дальше: он предположил, что свет в принципе обладает прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но также и распространение света происходит отдельными порциями — квантами, обладающими энергией . Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк и не решился опровергнуть электродинамику применительно к микромиру. Физической реальностью кванты стали благодаря Эйнштейну. Кванты электромагнитного излучения (в частности, кванты света) стали впоследствии называться фотонами. Таким образом, свет состоит из особых частиц — фотонов, движущихся в вакууме со скоростью Каждый фотон монохроматического света, имеющего частоту ν, несёт энергию hν. Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества; в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода. Поглощение света — это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передаёт ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта есть не что иное, как закон сохранения энергии. На что идёт энергия фотона hν при его неупругом столкновении с электроном? Она расходуется на совершение работы выхода A по извлечению электрона из вещества и на придание электрону кинетической энергии :

Слагаемое оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения. Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине. Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадёт на свободный электрон в поверхностном слое металла — тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода. Во всех других случаях придётся затрачивать дополнительную энергию — на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности. Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше. Замечательное по простоте и физической ясности уравнение (4) содержит в себе всю теорию фотоэффекта. Давайте посмотрим, какое объяснение получают законы фотоэффекта с точки зрения уравнения Эйнштейна.

1. Число выбиваемых электронов пропорционально числу поглощённых фотонов. С увеличением интенсивности света количество фотонов, падающих на катод за секунду, возрастает. Стало быть, пропорционально возрастает число поглощённых фотонов и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.

2. Выразим из формулы (4) кинетическую энергию:

,

. Действительно, кинетическая энергия выбитых электронов линейно растёт с частотой и не зависит от интенсивности света. Зависимость кинетической энергии от частоты имеет вид уравнения прямой, проходящей через точку (A/h, 0). Этим полностью объясняется ход графика на рис. 3(красная граница)

3. Для того, чтобы начался фотоэффект, энергии фотона должно хватить как минимум на совершение работы выхода: . Наименьшая частота , определяемая равенством , как раз и будет красной границей фотоэффекта. Как видим, красная граница фотоэффекта определяется только работой выхода, т. е. зависит лишь от вещества облучаемой поверхности катода. Если , то фотоэффекта не будет — сколько бы фотонов за секунду не падало на катод. Следовательно, интенсивность света роли не играет; главное — хватает ли отдельному фотону энергии, чтобы выбить электрон. Уравнение Эйнштейна (4) даёт возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. Для этого надо предварительно определить частоту излучения и работу выхода материала катода, а также измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. В ходе таких опытов было получено значение h, в точности совпадающее с значением постоянной Планка: *с.). Такое совпадение результатов двух независимых экспериментов — на основе спектров теплового излучения и уравнения Эйнштейна для фотоэффекта — означало, что обнаружены совершенно новые «правила игры», по которым происходит взаимодействие света и вещества. В этой области классическая физика в лице механики Ньютона и электродинамики Максвелла уступает место квантовой физике — теории микромира, построение которой продолжается и сегодня.

Вывод

На основании изученной литературы мы рассмотрели историю развития квантовых представлений о явлении фотоэффекта, обозначили главных ученных изучавших этот вопрос. Ввели определение и рассмотрели виды фотоэффекта, такие как внутренний; внешний; вентильный.

Рассмотрели основные законы фотоэффекта, полученные эксперементально, но не объяснимые с точки зрения классических представлений физики того времени. Привели гипотезу Эйнштейна о квантах и выяснили объяснение законов фотоэффекта с точки зрения квантовой физики.

Действительно мы можем увидеть, что в том числе и открытие фотоэффекта стало причиной переосмысления физических представлений того времени и дало толчок развития квантовой теории. Далее мы можем говорить, что классические представления не дают нам возможности исследовать микрочастицы и их нужно рассматривать в контексте квантовой теории. Сейчас мы можем говорить, что открытие фотоэффекта среди прочих способствовало становлению современного вида физической науки.