Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Теория фотоэффекта
Автор: Кляус Наталья Александровна
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Теория фотоэффекта
Автор: Кляус Наталья Александровна
Фотоэффе́кт или фотоэлектрический эффект — явление взаимодействия или любого другого с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества. В конденсированных (твёрдых и жидких) выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем своё энергетическое состояние) фотоэффект. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения.Законы внешнего фотоэффекта:Формулировка 1-го закона фотоэффекта (закона Столетова): Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения.Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его .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.Кроме того, фотоэффект обладает свойством практической безынерционности. Он немедленно возникает при освещении поверхности тела, при условии, что частота света выше или равна красной границе фотоэффекта и эффект существует.Теоретическое объяснение этих законов было дано в . Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов () с энергией hν каждый, где h — . 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: {\displaystyle h\nu =A+W_{k},} где {\displaystyle W_{k}} — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.История открытияВ 1839 году наблюдал фотовольтаический эффект в электролите.В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что является .Внешний фотоэффект был открыт в . При работе с он заметил, что если посветить на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик , опубликовавший 6 работ. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.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. 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 в 1900—1902 годах показали, что, вопреки классической , вылетающего всегда строго связана с падающего и практически не зависит от интенсивности .Схема эксперимента по исследованию фотоэффекта. Из света берётся узкий диапазон частот и направляется на внутри вакуумного прибора. Напряжением между катодом и анодом устанавливается энергетический порог между ними. По току судят о достижении электронами анода.Фотоэффект был объяснён в (за что в он, благодаря номинации шведского физика , получил ) на основе о квантовой природе света. В работе содержалась важная новая гипотеза — если в 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 (), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:{\displaystyle h\nu =A+{\frac {mv^{2}}{2}}}где A — т. н. (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), {\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}} — максимальная вылетающего электрона, {\displaystyle \nu } — частота падающего фотона с энергией {\displaystyle h\nu }, h — . Из этой формулы следует существование при T = 0 K, то есть существование наименьшей частоты ({\displaystyle {h\nu }_{\min }=A}), 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 фотоэффектВнешний фотоэффектВнешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а , 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 фотоэффет Закон Столетова: при неизменном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):{\displaystyle I_{n}~E_{e}} {\displaystyle n_{\rm {cek}}~E_{e}} Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света {\displaystyle \nu _{0}} (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен. Теория ФаулераОсновные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера[18]. 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 и возбуждённым (сдвинутым на {\displaystyle h\nu }) распределением по энергиям. Плотность фототока определяется формулой Фаулера:{\displaystyle j={\begin{cases}{{B}_{1}}{{T}^{2}}\exp \left({\frac {h\nu -h{{\nu }_{\min }}}{kT}}\right),&h\nu \leqslant {{h\nu }_{\min }}-2kT,\\{{B}_{2}}{{T}^{2}}\left({\frac {{(h\nu -h{{\nu }_{\min }})}^{2}}{{{k}^{2}}{{T}^{2}}}}+{{B}_{3}}\right),&h\nu >{{h\nu }_{\min }+2kT},\\\end{cases}}}{\displaystyle B_{1}}, {\displaystyle B_{2}}, {\displaystyle B_{3}} — 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 выходВажной 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.
