Фотоелектричний ефект (стр. 1 из 2)

Тема 1. Фотоелектричний ефект

План

1. Предмет, методи і завдання квантової фізики

2. Закони фотоефекту. Дослідження Столєтова

3. Квантова теорія фотоефекту

4.Фотоелементи та їх застосування

1. Предмет, методи і завдання квантової фізики

Загальні відомості

Як вже зазначалось, в кінці XIX і на початку XX ст. було відкрито ряд фізичних явищ, які неспроможна пояснити класична фізика. У зв'язку з цим виникла необхідність створення нової фізичної теорії, яку назвали квантовою теорією матерії, або квантовою фізикою.

Квантова фізика вивчає процеси, що відбуваються у мікросвіті — в світі молекул, атомів, атомних ядер, елементарних частинок. Оскільки властивості макроскопічних тіл зумовлені рухом і взаємодією їх складових — мікрочастинок, то закони квантової фізики дають змогу пояснити більшість явищ макросвіту.

Квантова механіка, квантова статистика і квантова теорія поля в сукупності складають квантову теорію матерії, або квантову фізику.

Квантова механіка — теорія руху мікрочастинок і їх систем, теорія явищ субатомного масштабу та їх впливу на макроявища.

Перший підготовчий крок до створення квантової механіки зробив М. Планк. Він для пояснення розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла висунув гіпотезу про те, що енергія атомів-випромінювачів може змінюватися дискретними порціями — квантами. Другий крок зробив А. Ейнштейн, який ввів у 1905 р. поняття фотона (кванта електромагнітного поля) і дав тлумачення зовнішньому фотоефекту. Далі, у 1913 p. H. Бор використав ідею квантів і штучно введені постулати для пояснення станів водневоподібних атомів і розшифрування їхніх спектрів.

У 1924 р. Л. де Бройль висунув гіпотезу про корпускулярно-хвильовий дуалізм матеріальних частинок, основна ідея якої про хвильові властивості частинок була в 1927 р. підтверджена К. Де-віссоном і Л. Джермером (США), Дж. П. Томсоном (Шотландія) і радянським фізиком П. С. Тартаковським.

Накопичення фактів привело до становлення у 1925—1928 pp. сучасної квантової механіки. У цей період В. Гейзенберг розробив матричну теорію кінематики і динаміки мікрочастинок; Е. Шредінгер, спираючись на ідеї Л. де Бройля, у 1926 р. дістав диференціальне рівняння руху мікрочастинок; М. Борн у 1927 р. дав статистичну інтерпретацію квантово-механічного опису станів мікрочастинок або їх систем; П. Дірак і В. Паулі заклали основи релятивістської квантової механіки. Тоді ж було сформульовано принцип невизначеності Гейзенберга, принцип Паулі, принцип відповідності Бора.

У наступні роки великий вклад у розвиток квантової фізики внесли Г. Лондон, Е. Фермі, Р. Фейнман, М. Гелл-Манн, В.О. Фок, Л.Д. Ландау, І.Є. Тамм, Д.І- Блохінцев, М.М. Боголюбов, Я.І- Френкель та інші вчені.

Квантова механіка являє собою фізичну теорію, яка описує явища атомного масштабу, тобто рух елементарних частинок та систем, що з них складаються. При цьому вважається, що мікрочастинки рухаються із швидкостями, значно меншими від швидкості світла.

Процеси з участю релятивістських мікрочастинок (частинок, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла) супроводяться, як правило, зміною кількості частинок, їх народженням та поглинанням. Такі процеси розглядаються у квантовій теорії поля.

Властивості системи з великою кількістю частинок, рух яких описується законами квантової механіки, вивчаються у квантовій статистиці.

Успіхи квантової фізики відіграли важливу роль у науково-технічній революції. Напівпровідникова і квантова електроніка, ядерна енергетика, навіть можливість здійснення в земних умовах реакції термоядерного синтезу зв'язані в кінцевому результаті з квантовими законами. Розвиток квантової фізики сприяє розумінню єдності світу, побудові єдиної фізичної картини світу.

2. Закони фотоефекту. Дослідження Столєтова

Під час проведення дослідів з метою одержання електромагнітних хвиль Г.Герц у 1887 р. помітив, що розряд між металевими електродами стає інтенсивнішим, якщо їх освітлювати електричною дугою. Це явище названо фотоелектричним ефектом.

Після відкриття електрона (1897 р.) ф. Ленард і Дж. Томсон у 1898 р. довели експериментально, що фотоефект являє собою вивільнення електронів з металевих катодів під дією світла. Явище фотоефекту — один з проявів взаємодії світла з речовиною, який розкриває квантову природу світла. Фотоефект як самостійне фізичне явище детально вивчав О.Г. Столєтов у 1888—1890 pp. Він виявив, що при освітленні ультрафіолетовими променями зазнають розряду тільки тіла, заряджені негативно. Схема установки для дослідження фотоефекту показана на рис. 9.1.

Світло через кварцеве віконце О падає на катод К, виготовлений з досліджуваного металу. Катод і анод розміщені у вакуумній трубці Т. Напруга між катодом і анодом змінюється за допомогою потенціометра П.

Дослідження залежності фотоструму від різниці потенціалів між катодом і анодом при опромінюванні катода монохроматичним світлом показали, що фотострум існує не тільки тоді, коли > 0, але й тоді, коли < 0. Він припиняється для даної речовини катода тільки при певній величині від'ємного значення різниці потенціалів , яка називається гальмівною напругою. її величина дає змогу визначити кінетичну енергію вивільнених електронів. Гальмівна напруга не залежить від інтенсивності світла.

Сила фотоструму зростає зі збільшенням різниці потенціалів і при деякому значенні напруги U досягає насичення (рис. 9.2). Узагальнюючи результати експериментальних даних, встановлено такі закономірності фотоефекту: при сталому спектральному складі світла сила фотоструму / насичення прямо пропорційна світловому потоку Ф, що падає на катод (рис. 9.3); початкова кінетична енергія вивільнених світлом електронів залежить лінійно від частоти світла і не залежить від його інтенсивності (рис. 9.4); фотоефект не виникає, якщо частота світла менша від деякої характерної для даного металу величини vmin; фотоефект — явище безінерційне, тобто з припиненням освітлення поверхні він припиняється.

З погляду хвильової теорії можна пояснити тільки першу закономірність (закон Столєтова). Електрони в металі мають набувати прискорення під дією електричного поля електромагнітної хвилі. Якщо це поле сильне, то електрон зможе набути енергії для подолання потенціального бар'єру і вилетіти за межі металу. При малих інтенсивностях світла електрони не вилітають. При досягненні певної величини інтенсивності світла, характерної для даного металу, відбуватиметься вивільнення електронів.

Чим більша інтенсивність світла, що падає на метал, тим більшу кінетичну енергію мають вивільнені електрони. Згідно з уявленнями класичної теорії інтенсивність світла прямо пропорційна квадрату напруженості електричного поля світлової хвилі, дія якої на електрони в металі зумовлює їх коливання. Амплітуда вимушених коливань може досягти такої величини, при якій електрони залишають метал. Тому кількість вивільнених електронів зростає із збільшенням інтенсивності світла, що і приводить до зростання фотоструму насичення при збільшенні світлового потоку.

Сучасні методи досліджень дають змогу реєструвати окремі електрони, які потрапляють на анод. Встановлено, що при зміні інтенсивності монохроматичного світла, тобто зміні напруженості електричного поля електромагнітної хвилі, кінетична енергія вивільнених електронів не змінюється, а змінюється їх кількість. Цей результат зовсім не узгоджується з передбаченнями хвильової теорії про природу світла. У межах цієї теорії також неможливо пояснити безінерційність фотоефекту та результати, одержані для однакових значень інтенсивності монохроматичного світла різних частот. При цьому виявилось, що максимальне значення кінетичної енергії вивільнених електронів прямо пропорційне частоті (рис. 9.4).

3. Квантова теорія фотоефекту

Явище фотоефекту і його закономірності повністю пояснюються квантовою теорією світла. У ній стверджується/що світло — це потік матеріальних частинок — фотонів, енергія яких — стала Планка; v — частота коливань); що світло не тільки випромінюється, поширюється, але і поглинається порціями електромагнітних хвиль. При цьому фотон як неподільна частинка поглинається окремим електроном.

На основі таких уявлень А. Ейнштейн у 1905 p., застосувавши закон збереження енергії до взаємодії фотона з електроном, одержав рівняння фотоефекту, яке носить його ім'я:

де А — робота виходу електрона з металу; максимальне значення кінетичної енергії електрона.

Енергія фотона, яку поглинає електрон, витрачається на те, щоб електрон подолав потенціальний бар'єр у металі, тобто на роботу виходу та надання кінетичної енергії вивільненому електрону. Якщо електрон поглинув фотон не біля самої поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії буде витрачена внаслідок випадкових зіткнень електрона в речовині. Максимальну кінетичну енергію матимуть електрони, вивільнені з самого верхнього енергетичного рівня у металі. З рівняння (9.1) випливає, що фотоефект можливий лише тоді, коли hv > А. В іншому випадку енергія фотона недостатня для вивільнення електрона з металу. Найменша частота світла, під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови , звідки

Частота, при якій можливий фотоефект, називається «червоною межею» фотоефекту. Ця назва не стосується кольору світла. Вона вказує на ту найменшу частоту (найбільшу довжину хвилі) світла, при якій ще може відбуватись фотоефект. Так, з цезію вивільняються електрони при освітленні випромінюванням усієї видимої частини спектра; для калію відбувається фотоефект при освітленні променями, довжина хвиль яких < 0,62 мкм; для натрію — <: 0,59 мкм; для літію — < 0,516 мкм; для вольфраму — <: 0,275 мкм.