Фотоелектричний ефект - фізична школа

Генеалогічне дерево Чумацького Шляху

Повністю інтегрований контроль наноалмазів

Трохи ближче до сонця

Відстані від зірок

Що змушує зірки світити

Вулиця з одностороннім рухом для електронів

У новому підрахуванні знайдені сотні примірників "Ньюсона" (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)

Наша Сонячна система сформувалася менш ніж за 200 000 років

Здоровий для Марса

Фотоелектричний ефект

Під цим терміном фотоелектричний ефект (також фотоелектричний ефект або короткий Фотоефект) узагальнено три тісно пов’язані, але різні процеси взаємодії фотонів з речовиною. У всіх трьох випадках електрон стає поза зв’язку - напр. Б. в атомі або у валентній зоні або в зоні провідності твердого тіла - розчиняється поглинанням фотона. Енергія фотона повинна бути принаймні такою ж великою, як енергія зв'язку електрона.

Існує три типи фотоефекту:

Коли зовнішній фотоелектричний ефект (також Фотоемісія або Ефект хол-воску) - термін, що використовується для опису випуску електронів із напівпровідникової або металевої поверхні (див. фотокатод) через опромінення. Цей ефект був виявлений ще в 19 столітті [1] і вперше інтерпретований в 1905 році Альбертом Ейнштейном, де він ввів термін квант світла.
внутрішній фотоелектричний ефект відбувається в напівпровідниках. Є два випадки:
1. Коли Фотопровід позначає збільшення провідності напівпровідників за рахунок утворення електронно-дірочних пар, не зв'язаних один з одним.
2. Спираючись на це, фотоелектричний ефект перетворення світла в електричну енергію.
Під Фотоіонізація (також атомний фотоефектНарешті, розуміється іонізація окремих атомів або молекул шляхом опромінення світлом досить високої частоти.

Зовнішній фотоелектричний ефект

Випуск світла носіїв заряду з оголеної металевої поверхні в електролітах вперше спостерігався в 1839 році Олександром Едмондом Беккерелем в так званому ефекті Беккереля.

У 1886 р. Генріх Герц зміг продемонструвати вплив ультрафіолетового випромінювання (УФ) на металеві поверхні в іскровому проміжку. [2] Він зауважив, що ультрафіолетове світло, випромінюване "первинною іскорою" A, збільшує довжину другої іскри B. Довжина B взаємно залежала від відстані між іскрами, різні поглиначі ультрафіолету (включаючи ті, які прозорі у видимому спектральному діапазоні) зменшували розмір іскри. Герц не зміг довести, що видиме світло впливає на довжину іскри. Пояснення цих спостережень полягає в тому, що ультрафіолетове світло вибиває електрони з електродів іскрового зазору, що потім призводить до спалаху навіть при меншій напруженості електричного поля, оскільки робочу функцію не потрібно спочатку використовувати.

Вільгельм Холлвахс, тоді помічник Генріха Герца, проводив подальші систематичні розслідування (звідси і назва Ефект хол-воску). Він показав z. Б. за допомогою «золотого електроскопа» (див. Малюнок праворуч), щоб металеву пластину можна було електрично зарядити, опромінюючи її дуговою лампою. [3] [4]

Філіп Ленард був першим, хто дослідив фотоефект у високому вакуумі. [5] У 1899 р. Він зміг визначити їх питомий заряд, відхиливши носії заряду в магнітному полі і таким чином визначивши їх як електрони. Він виявив залежності від частоти та освітленості, описані нижче. Альберт Ейнштейн виступив у 1905 р. У § 8 своєї праці Про евристичну точку зору щодо виробництва та перетворення світла, за що він отримав Нобелівську премію з фізики в 1921 році, правильне пояснення ефекту. [6] Роберт Ендрюс Міллікан зумів підтвердити з 1912 по 1915 рр. За допомогою методу протилежного поля (див. Нижче), що коефіцієнт пропорційності рівняння Ейнштейна узгоджується з уже відомим квантом дії Планка. [7]

Метод протилежного поля

Метод протилежного поля, один із різних методів вимірювання фотоефекту, корисний для демонстраційних експериментів із зовнішнім фотоефектом у школах та університетах.

Вузький діапазон довжин хвиль фільтрується від світла ртутної лампи через інтерференційний фільтр або монохроматор і зв’язується (можливо, через лінзу) на катод (червоний на малюнку) вакуумного фотоелемента. Для захисту поверхні фотокатода від окислення необхідний вакуум, але перш за все, щоб середній вільний пробіг вирваних електронів був достатнім для досягнення протилежного, часто кільцеподібного анода. Між двома електродами може подаватися напруга $ U_0 $, а поточний $ I_ \ mathrm (U_0) $ можна вимірювати за допомогою чутливого амперметра. Більш детальний опис експерименту можна знайти напр. Б. у згаданій роботі Міллікана [7] або сценарієм стажування. [8-й]

Якщо катод опромінюється світлом досить короткої довжини хвилі, електрони там «вибиваються». Через свою кінетичну енергію $ E_ \ mathrm $ вони рухаються до анода. Фотоелемент стає джерелом живлення та поточним Фотострум $ I_ \ mathrm (0) $ можна виміряти за допомогою чутливого амперметра. Якщо зараз застосовано протинапругу $ U_0 $, електрони, які досягають анода і ведуть до фотоструму, повинні подолати сформоване електричне поле на додаток до робочої функції $ W_K $ від катода.

Лічильник напруги $ U_0 (f) $, з якого більше не протікає фотострум, може бути визначений для різних частот $ f $ світла; При цій напрузі різниця потенціалів $ E_ \ mathrm = e \ cdot U_0 $, яку мають подолати електрони (електричний заряд $ e $), дорівнює максимальній кінетичній енергії електронів $ E_ \ mathrm $ після їх виходу з катода. Якщо припустити, що енергія світла передається електронам лише за допомогою квантів енергії з енергією $ E = h \ cdot f $ (з квантом Планка $ h $), можна вивести з нахилу виміряної прямої $ e \ cdot U_0 (f) $ визначають квант дії $ h $ (див. Також Millikan [7]). Також може бути визначена робоча функція $ W_K $.

Визначення H і функція роботи

На прикладі цинку (малюнок праворуч) нахил на діаграмі дає результат за допомогою трикутника схилу

приблизно квант Планка дії. Відрізок осі у пунктирної лінії відповідає робочій функції; у випадку з цинком це значення вважається приблизно (-) 4,3 еВ. Справжнє значення - 4,34 еВ.

Проблеми інтерпретації в контексті хвильової презентації

У щойно описаних експериментах можна зробити наступні спостереження:

Кінетична енергія електронів, що виходять з фотокатода, залежить не від опромінення, а від спектрального кольору світла, тобто від його довжини хвилі $ \ lambda $ або частоти $ f $ .
Кінетична енергія цих фотоелектронів лінійно зростає із частотою світла, починаючи з мінімальної частоти.
Максимальна довжина хвилі або мінімальна частота, з якою просто виникають електрони, залежить від матеріалу поверхні катода, див. Робочу функцію.
Виділення електронів починається практично відразу, коли світло падає, і закінчується так само швидко після закінчення опромінення.
Фотострум електронів пропорційний потоку випромінювання, якщо всі випромінювані електрони вловлюються досить позитивним анодом.

За винятком останнього спостереження, всі виявлені взаємозв'язки суперечать класичному уявленню про світло як хвильове явище. Відповідно до цього енергія хвилі залежить виключно від її амплітуди, але не від частоти. Таким чином, кінетична енергія електронів повинна зменшуватися із зменшенням опромінення. Тоді ефект повинен відбуватися із затримкою, оскільки передача енергії, необхідної для вивільнення електронів, триває довше. Замість мінімальної частоти, слід очікувати, згідно з класичною концепцією, що зі зменшенням частоти збільшується лише час, поки електрон набере достатньо світлової енергії.

Інтерпретація та значення явища

Такі фізики, як Ісаак Ньютон, вже припускали, що світло складається з частинок, так званих корпускул. Однак найпізніше до кінця XIX століття ідея світлових частинок вважалася застарілою, оскільки електродинаміка Максвелла розуміла світло як електромагнітну хвилю і, відповідно до цього, інтерференційні експерименти, безсумнівно, продемонстрували хвильовий характер світла.

Пояснення Ейнштейном фотоелектричного ефекту частинками світла в 1905 році було сміливою гіпотезою на цьому тлі. Основою стала гіпотеза Планка з випромінювання 1900 р., Згідно з якою світло складається з потоку частинок Фотони, чия енергія $ E $ є добутком частоти $ f $ світла та кванту Планка $ h $ ($ E = h \ cdot f $). За допомогою цього припущення спочатку можна пояснити взаємозв'язок між частотою та кінетичною енергією, а також усі подальші експериментальні спостереження на основі цього. [6]

Виявлене таким чином протиріччя, що світло демонструє хвильову поведінку в певних експериментах, але поведінка частинок в інших (дуалізм хвильових частинок), було вирішено лише квантовою механікою. Фотоелектричний ефект був одним із ключових експериментів у встановленні квантової фізики. За пояснення ефекту Ейнштейну було присуджено Нобелівську премію з фізики в 1921 році.

З розвитком квантової теорії світла в 1960-х роках можна було пояснити фотоефект напівкласичним способом: класична електромагнітна хвиля взаємодіє з квантованим детектором. Отже, фотоефект не є чітким доказом квантової природи світла.

Програми

Різні фізичні пристрої, такі як фотоелементи та фотокатоди фотопомножувачів та перетворювачів зображення, а також важливий поверхнево-фізичний метод вимірювання, фотоелектронна спектроскопія, використовують фотоелектричний ефект. Для цього використовуються фотоелектричні методи вимірювання.

Внутрішній фотоелектричний ефект

Фотопровід

Під фотопровідністю розуміють збільшення електропровідності напівпровідникових матеріалів за рахунок утворення незв’язаних електронно-дірочних пар під час опромінення. Електрони піднімаються з валентної зони в енергетично вищу зону провідності за допомогою енергії фотонів, для яких енергія окремого фотона повинна принаймні відповідати ширині забороненої зони опроміненого напівпровідника. Оскільки розмір забороненої зони залежить від матеріалу, максимальна довжина хвилі світла, до якого виникає фотопровідність, відрізняється залежно від напівпровідника (арсенід галію: 0,85 мкм, германій: 1,8 мкм, кремній: 1,1 мкм).

Спектри фотопровідності показують залежність електропровідності від енергії (або довжини хвилі) падаючого світла. Провідність значно зростає від енергії зазору, тому (прямий) зазор може бути визначений таким чином. Детальний аналіз таких спектрів фотопровідності у поєднанні з результатами інших досліджень є важливою основою для розуміння зонної структури використовуваного матеріалу (див. Також зонну модель).

Якщо дослідження проводяться в магнітному полі, можна визначити додаткові деталі, які в іншому випадку були б нерозривно накладені за своїм ефектом, але які розділені магнітним полем. Прикладами є магнітооптичний ефект Керра та ефект Холла, за допомогою яких можна визначити рухливість електронів.

Монохроматори використовують для вимірювання залежності фотопровідності від довжини хвилі. Вимірювання зазвичай проводять у вакуумі, напр. B. уникати водяних смуг (див. Інфрачервону спектроскопію) у ближньому ІЧ або при низьких температурах до z. Б. для відокремлення ефектів магнітного поля від шуму.

Фотопровідність використовується у фоторезисторах, фототранзисторах, фотодіодах та датчиках CCD (див. також штифтовий діод та лавинний фотодіод), які використовуються у виробництві великої кількості світлових датчиків.

У фоторезисторах та інших напівпровідниках носії заряду, що генеруються світлом, можуть зберігатися дуже довго (від годин до днів) навіть після затемнення; це називається тривалим фотоефектом (короткочасно ЗІЗ). стійкий фотоефект).

Фототранзистори містять світлочутливі PN з'єднання. Вони підсилюють струм, що відбувається в їх основі.

Для вимірювань у видимому та інфрачервоному спектральному діапазоні фотодіоди зазвичай працюють як фотопровідники в квазікороткому замиканні або в діапазоні блокування - вони потім подають струм, пропорційний падаючому потоку випромінювання протягом багатьох порядків.

Стійка фотопровідність спостерігається в монокристалах титанату стронцію при кімнатній температурі. Після впливу концентрація вільних електронів збільшується на два порядки і залишається підвищеною протягом днів. [9]

Фотоелектричний ефект

Фотоелектричний ефект також заснований на внутрішньому фотоелектричному ефекті. Пари носіїв заряду, що виникають у зоні космічного заряду, тобто на p-n-з’єднанні фотодіода, розділені на p- і n-шари. Електрони йдуть в n-шар, дірки в p-шар і створюється струм проти напрямку проходження переходу. Цей струм називається фотострумом.

Фотодіоди великої площі (сонячні елементи) використовуються для перетворення променистої енергії Сонця в електричну.

Фотоіонізація

Чи є атоми або молекули z. Б. позбавив газ одного або кількох своїх електронів короткохвильовим випромінюванням, можна говорити Фотоіонізація або атомна або молекулярний фотоефект. Для цього потрібні фотони з значно вищими енергіями, ніж для послаблення зв'язку в твердому тілі. Вони містяться в ультрафіолетовому, рентгенівському або гамма-випромінюванні.

Фотон поглинається і віддає своє цілий Енергія до електрона, яку зазвичай називають в ядерній фізиці Фотоефект призначений. Це z. Б. експлуатується в детекторах випромінювання. Крім того, ефект Комптона також сприяє фотоіонізації, при якій електрон відбирає лише частину енергії, тоді як решта енергії знову випромінюється у вигляді фотона більшої довжини хвилі.

Переріз $ \ sigma $, тобто ймовірність фотоіонізації, залежить від енергії фотона $ E_ \ gamma $ та атомного номера $ Z $ матеріалу:

$ \ sigma \ propto Z ^ 5E_ \ gamma ^ $

Отже, це приблизно пропорційно п’ятому степеню порядкового числа. Це означає, що матеріали з високим атомним номером особливо добре поглинають рентгенівське та гамма-випромінювання. Тому свинець ($ Z = 82 $) більше підходить для екранування рентгенівських променів, ніж, наприклад, алюміній ($ Z = 13 $).

Зі збільшенням енергії фотона перетин зменшується, як показує негативна потужність у формулі; Однак це стосується лише тих випадків, коли для іонізації доступна постійна кількість електронів в атомі. Як тільки енергія фотона досягає енергії зв’язку наступної більш міцно зв’язаної електронної оболонки, поперечний переріз стрибає до відповідно більш високого значення, від якого потім поступово знову зменшується у міру збільшення енергії. Це призводить до характерних структур в спектрі поглинання, Краї поглинання. Енергії зв’язування електронів коливаються від декількох еВ до приблизно 100 кеВ в елементах з високим атомним числом.

Фотоіонізація повітря за допомогою ультрафіолетового випромінювання іонізаторами використовується для збільшення його провідності і тим самим для розсіювання електростатичних зарядів.

Вимірювання провідності повітря вперше було використано для підтвердження космічного походження частини природної радіоактивності шляхом її вимірювання під час підйому на повітряній кулі: космічне випромінювання створює зливи іонізуючих частинок і частково продуктів радіоактивного спалювання.

Також існує ядерний фотоефект, при якому гамма-квант дуже високої енергії поглинається в атомному ядрі і при ядерній реакції виділяє нейтрон, протон або альфа-частинку. Це також відомо як реакція (γ, n), (γ, p) або (γ, α).