Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Различные виды современных фотоэлементов.

Гипотеза Планка блестяще решила задачу теплового излучения абсолютно твердого тела,

она получила подтверждение и дальнейшие развития при объяснении фотоэффекта – явления, открытия и исследования которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный.

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы

электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости или к возникновению Э.Д.С.

Вентильный фотоэффект – является разновидностью внутреннего фотоэффекта – возникновение Э.Д.С. (фото – Э.Д.С.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника из металла (при отсутствии внешнего электрического поля).

Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Мы с вами более подробно рассмотрим внешний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием

света.

Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а так же в газах на отдельных атомах и молекулах ( фотоионизация ).

Фотоэффект обнаружен Герцем в 1887 году наблюдавшим усиления процесса разряда приоблучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Опыт Герца продолжил русский ученый А.Г. Столетов. Он предложил следующую схему для исследования фотоэффекта.

Цинковая пластинка, медная сетка, гальванометр и источник света.

Столетов установил ряд закономерностей:

1. при отсутствии освещения ток не регистрировался гальванометром;

2. если освещается (-) пластинка, то в цепи появляется ток,

3. если поменять полюса батареи местами, то ток в цепи будет отсутствовать;

4. если вместо цинковой пластины поставить железную, то фотоэффект не наблюдается.

Учитывая это, Столетов сделал вывод, что фотоэффект зависит от рода вещества и спек-

трального состава падающего света.

Столетов предположил, что свет выбивает из цинковой пластины отрицательно заряженные частицы, которые участвуют в проводимости меду цинковой пластинкой и медной сеткой.

Для дальнейшего исследования внешнего фотоэффекта Столетов использовал более совершенную установку, в которой было устранено влияние молекул воздуха.

Два электрода (катод – из исследуемого металла и анод) находятся в вакуумной трубке, подключенной к источнику. С помощью потенциометра можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко – оно дает большое излучение), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

Опыты показали:

1) при отсутствии освещения ток в цепи фотоэлемента отсутствует не зависимо от величины напряжения на фотоэлементе.

2) если напряжение на фотоэлементе нулю, а -К – освещается, то в цепи появляется малый ток I0.

Если увеличивать напряжение на фотоэлементе и освещать -К-, то ток в цепи будет нарастать до насыщения.

3) если на -К- подать плюс, а на -А- минус, то с увеличением напряжения по абсолютной величине ток уменьшается и при некотором значении напряжения станет равным нулю.

Данная установка приведена для исследования вольтамперной характеристики фотоэффекта, т.е. зависимости фототока I, образуемого потокам электронов, испускаемых катодом под действием света от напряжения между электродами.

Итак , под действием падающего света с поверхности катода вырываются электроны и устремляются к аноду. Чем больше напряжение на фотоэлементе, тем больше вырванных электронов увлекаются к аноду.

Пологий характер кривой показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Наконец, при некотором U нас. все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.

При этом ток достигает предельного значения Iнас. фототок насыщения и при дальнейшем повышении напряжения, Iнас. уже не изменяется.

I en HAC = , где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 секунду.

Из ВАХ следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля.

Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U0 при U=U0.

Ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью υmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода, следовательно:

2 m max= eU υ

Т.е. измерив задерживающееся напряжение U0 можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

На основании этих опытов было установлено три закона внешнего фотоэффекта:

При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света

Максимальная начальная скорость υmax (максимальная начальная Wk max) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частот ν0 света, при которой еще возможен фотоэффект. Эта частота зависит от материала катода и состояния его поверхности.

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей.

Действительно , под действием поля световой волны в металле возникает вынужденные колебания электронов, амплитуда которых, например, при резонансе, может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, с увеличением интенсивности электрону передавалась бы большая энергия.

Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

По волновой теории, энергия, передаваемая электронами, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Кроме того , волновая теория не смогла объяснить безэнертность фотоэффекта, установленную опытами. Фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.

Эффект Комптона.

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — неупругое рассеяние фотонов на свободных электронах. Эффект сопровождается изменением частоты фотонов, часть энергии которых после рассеяния передается электронам. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году в экспериментах с рентгеновским излучением. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

Иллюстрация к эффекту Комптона

При рассеянии фотона на покоящемся электроне частоты фотона и (до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:

где — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).

Перейдя к длинам волн:

где — комптоновская длина волны электрона, равная м.

Уменьшение энергии фотона в результате комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. Объяснение эффекта Комптона в рамках классической электродинамики невозможно, так как рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не меняет её частоты.

Эффект Комптона является одним из доказательств справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц и подтверждает существование фотонов.