Фотоефект та його застосування
Інформація - Фізика
Інші матеріали по предмету Фізика
Федеральне агентство з освіти
Державний освітній заклад вищої професійної освіти
Московський державний відкритий університет
Факультет бізнесу та управління
дисципліна: Концепція сучасного природознавства
тема: Фотоефект та його застосування
У 1887 р. німецький фізик Генріх Герц експериментував із розрядником для випромінювання електромагнітних хвиль – парою металевих куль; при додатку різниці потенціалів між ними проскакувала іскра. Коли він висвітлював одну з куль ультрафіолетовими променями, розряд посилювався. Таким чином, було виявлено зовнішній фотоефект. У 1888 р. Вільгельм Гальвакс встановив, що опромінена ультрафіолетовим світлом металева пластинка заряджається позитивно. Так сталося друге відкриття фотоефекту. Третім, не знаючи про досліди Герца та Гальвакса, його спостерігав того ж року італієць Аугусто Риги. Він з'ясував, що фотоефект можливий і в металах, і діелектриках. Олександр Григорович Столєтов був четвертим ученим, незалежно від інших фотоефект. Він два роки досліджував нове явище та вивів його основні закономірності. Виявилося, що сила фотоструму, по-перше, прямо пропорційна інтенсивності падаючого світла, а по-друге, при фіксованій інтенсивності опромінення спочатку зростає в міру підвищення різниці потенціалів, але досягнувши певного значення (струм насичення), вже не збільшується.
У 1899 р. німець Філіп Ленард і англієць Джозеф Томсон довели, що світло, що падає на металеву поверхню, вибиває з неї електрони, рух яких і призводить до появи фотоструму. Однак зрозуміти природу фотоефекту за допомогою класичної електродинаміки так іне вдалося. Незрозумілим залишалося, чому фотострум виникав лише тоді, коли частота падаючого світла перевищувала строго певну для кожного металу величину. Тільки 1905 р. Ейнштейн перетворив цю загадку на цілком прозору картину. Він припустив, що електромагнітне випромінювання не просто випускається порціями - воно і поширюється у просторі, і поглинається речовиною також у вигляді порцій - світлових квантів (фотонів). Тому для виникнення фотоефекту важлива аж ніяк не інтенсивність падаючого світлового пучка. Головне, чи вистачає окремому світловому кванту енергії, щоб вибити електрон із речовини. Мінімальну енергію, необхідну цього, називають роботою виходу А. У результаті Ейнштейн вивів рівняння фотоефекту. Зрозуміло, що фотоефект може викликати лише світлова хвиля досить високої частоти, а сила фотоструму пропорційна інтенсивності поглиненого світла, тобто числу фотонів, здатних вибити електрони з речовини. У 1907 р. Ейнштейн зробив ще одне уточнення квантової гіпотези. Чому тіло випромінює світло лише порціями? А тому Ейнштейн відповів, що атоми мають лише дискретний набір значень енергії. Таким чином, теорія випромінювання та поглинання набула закінченого вигляду. У 1922 р. американець Артур Комптон виявив, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання змінюється під час розсіювання на електронах речовини. Але, за класичною електродинамікою, довжина світлової хвилі при розсіянні не може змінюватися! Тоді Комптон здійснив розрахунок, припустивши, що на електронах розсіюються не хвилі, а частинки (фотони). Результат збігся з експериментальним. Це стало прямим доказом реальності існування фотонів.
1. Визначення фотоефекту
Фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називають групу явищ, що виникають привзаємодії світла з речовиною і полягають або в емісії електронів (зовнішній фотоефект), або зміні електропровідності речовини або виникненні електрорушійної сили (внутрішній фотоефект).
У фотоефекті проявляються корпускулярні властивості світла. У 1888 Гальвакс показав, що при опроміненні ультрафіолетовим світлом електрично нейтральної металевої пластинки остання набуває позитивного заряду. У цьому року Столетєв створив перший фотоелемент і застосував його практично, потім він встановив пряму пропорційність сили фотоструму інтенсивності падаючого світла. У 1899 році Дж. Дж. Томпсон і Ф. Ленард довели, що при фотоефекті світло вибиває з речовини електрони.
2. Види фотоефектів
Виділяють три основні види фотоефектів: внутрішній, зовнішній та вентильний.
Зовнішній фотоефект спостерігається в газах на окремих атомах та молекулах (фотоіонізація) та в конденсованих середовищах.
Зовнішній фотоефект у металі можна уявити з трьох процесів: поглинання фотона електроном провідності, у результаті збільшується кінетична енергія електрона; рух електрона до тіла; Вихід електрона з металу. Цей процес енергетично описують рівнянням Ейнштейна.
Якщо, висвітлюючи метал монохроматичним світлом, зменшувати частоту випромінювання (збільшувати довжину хвилі), то, починаючи з деякого значення, званого червоною кордоном; фото ефект припиниться.
Експериментальні дослідження показали, що термін червона межа не означає, що межа фотоефекту обов'язково потрапляє до області червоного кольору.
Внутрішній фотоефект спостерігається при освітленні напівпровідників та діелектриків,