Optica si fizica atomica - lucrari practice, pagina 9

Ea numit efect de eliberare fotoelectric completă sau parțială a electronilor din legăturile cu atomii materialului sub acțiunea luminii.

În cazul în care electronii sunt în afara eșantionului de iluminat (eliberare totală). efectul fotoelectric se numește extern. În cazul în care, cu toate acestea, electronii pierd comunica numai cu atomii și moleculele lor. dar rămân în interiorul substanței iluminate ca electronii „liberi“ (eliberare parțială). efectul fotoelectric se numește intern. Electronii eliberati se numesc fotoelectroni lumină

Efectul fotoelectric este comună tuturor, fără excepție, corpurile (solide, lichide, gazoase). Efectul fotoelectric este însoțită de ionizare a moleculelor de gaz se numește gaz și fotoionizare.

efectul fotoelectric extern descoperit în 1887 de către savantul german Genrih Gerts și a studiat în detaliu în 1890, secolul om de știință român.

El a descris cele trei legi.

1 lege. Numărul de fotoelectroni emise de o suprafață unitate iluminată substanță pe unitatea de timp este proporțională cu intensitatea luminii.

2 lege. fotoelectronii crește viteza cu frecvența luminii și nu depinde de intensitatea luminii.

3 lege. Efectul fotoelectric se produce atunci când specific pentru substanța frecvența minimă sau lumina maximă de lungime de undă. numit PhotoEffect „chenar roșu“.

Originea și prima lege a efectului fotoelectric poate fi explicat prin teoria ondulatorie a luminii, prin care este emisă lumina, este distribuit și absorbită sub forma unui continuu unde electromagnetice, care poate transporta orice energie. Câmpul electric al undei de lumină, acționând asupra electronilor din materialul iluminat. excită leagăne lor. Amplitudinea oscilațiilor forțate de electroni proporțională cu amplitudinea undei de lumină și se poate ajunge la o astfel de valoare la care cuplarea electronilor cu materia este rupt și electronii părăsesc materialul - în cazul în care și fotoelectrică se produce un efect.

Cu toate acestea. 2 și 3 din legile nu se explică doar prin teoria ondulatorie a luminii, dar, de asemenea, o contrazic. De fapt, viteza fotoelectronilor emise ar trebui să crească cu amplitudinea undei electromagnetice, și, prin urmare, creșterea intensității sale (intensitatea luminii este proporțională cu pătratul o amplitudine de undă a luminii). Dar experiența arată că viteza de fotoelectronilor nu depinde de intensitatea luminii.

Toate legile efectului fotoelectric este ușor de explicat prin teoria cuantică a luminii, dezvoltat de Einstein în 1905, pe baza teoriei cuantice a radiațiilor, Planck a creat în 1900. Conform teoriei cuantice a radiației de energie a corpului nu se produce în mod continuu și în porțiuni (Quanta). Energia fiecărei porțiuni a radiației electromagnetice:

unde J s - constanta lui Planck,

 - lungime de unda radiatii - frecventa, .

Einstein a dezvoltat teoria lui Planck, ceea ce sugerează că nu numai emite lumină, ci, de asemenea, se răspândește și este absorbită de aceleași porțiuni de substanță (cuante). ele au fost numite mai târziu fotoni. Aplicarea la fenomenul efectului fotoelectric în metale legea de conservare a energiei, Einstein a propus următoarea formulă:

în care A - din metal de lucråri de electroni,

- viteza maximă a Photoelectron,

m - masa electronului.

Conform lui Einstein fiecare foton absorbit de un singur electron, iar porțiunea din energia fotonilor incidenti este consumat pentru a executa funcția de lucru de electroni a metalului, iar restul respectivului electron energie cinetică.

Rețineți că fotoelectrozilor emise de metal au rate diferite, deoarece în metale energia cinetică a electronilor este diferită, și pentru îndepărtarea metalului în afara diferitelor electronii trebuie să-i spun inegale de energie. Cea mai înaltă rată posedă acei electroni emiși de metal, la care ejecție este necesar să consume cel energie egală cu funcția de lucru.

Formula lui Einstein este bine-legile efectului fotoelectric explică. Se poate observa că viteza fotoelectronilor crește cu frecvența luminii incidente și nu depinde de intensitatea ei (pentru că A și ν sunt independente de intensitate). Efectul fotoelectric se poate produce în metalul furnizat. în cazul în care.

Altfel, energia fotonica este insuficientă pentru a evacua un electron.

Cea mai mică frecvență a luminii, care are loc sub influența efectului fotoelectric. Se numește prag fotoelectric.

Se determină din condiția:

Acesta este de obicei exprimat în termeni de lungime de undă maximă:

Valorile numerice ale pragului fotoelectric pentru unele dintre materialele enumerate în tabelul de mai jos:

De la teoria cuantică că intensitatea luminii este proporțională cu numărul de fotoni. Prin urmare, numărul de fotoni ejectat proporțional cu intensitatea luminii. - acest lucru explică 1 legea efectului fotoelectric.

În semiconductori și izolatori în afară de efectul fotoelectric extern se observă în interior. Aceasta are loc cu condiția și însoțită de formarea de electroni liberi. creșterea conductivității substanțelor - lucrarea dezlipire de electroni al atomului. In metale, efectul fotoelectric intern nu se observă. deoarece în ele sunt multe electroni liberi, și o ușoară creștere a numărului acestora datorită efectului fotoelectric intern practic nici un efect asupra conductivitatea metalului. In dielectrici de electroni de legare a energiei cu atomi mari. astfel încât nici intern. nici un efect fotoelectric extern în aplicarea practică dielectrici nu are.

În concluzie, subliniem că efectul fotoelectric, dezvăluind natura cuantică a luminii. respinge natura val. dar completează. Lumina proces complex electromagnetic. are un (undă-particulă) natură duală. În unele fenomene, cum ar fi interferența, difracția, polarizarea, natura val de lumină este prezentată, în alte - radiația, efectul fotoelectric etc. -. Natura cuantică a luminii.

Pe baza efectului fotoelectric extern și intern creat de o multitudine de dispozitive care convertesc lumina într-un semnal electric. Acestea includ celule solare, fotorezistoare, tuburi fotomultiplicatoare, convertoare de imagine, care transmit tuburi de televiziune, fotodiode, etc. La operația extern efectul fotoelectric pe bază de fotocelule de vid. Structural, ele sunt formate ca un bec de sticlă, evacuat la un vid înalt (Figura 1). O parte a suprafeței interioare sac acoperită cu o substanță sensibilă la lumină, numit fotocatod. Ca material fotocatodic utilizat cu o funcție de lucru scăzută. Astfel de substanțe compus antimoniu este unul sau mai mulți compuși ai metalelor alcaline și argint - cesiu. Anodul este un inel metalic sau ochiuri, plasat în centrul cilindrului.

Dependența forței fotocurentul aplicată între catod și anod de tensiune, la o intensitate a luminii constantă este numită caracteristică fotocelula curent-tensiune (IV caracteristică). Ea are forma prezentată în (Figura 2). Curba blândă a progresului se datorează faptului. că electronii emiși de catod la viteze diferite. Unele dintre ele au o viteză suficient de mare, și. zboară spațiu inerțial între anod și catod. lanț scurt. Acest lucru explică prezența curentului în circuit, în absența tensiunii de anod. (Segment 0 - 1,). Pentru a avea acces la zero curent la anod este necesar să se aplice o tensiune negativă de întârziere. La această tensiune la oricare dintre electronii au o viteză maximă chiar și să nu fie în măsură să ajungă la anod. Prin urmare, putem scrie:

în cazul în care - energia cinetică a electronului.

Cu 3 - 4 - este o regiune de saturație curent. În această regiune, toate electronii emiși de catod, căderea anod. Pentru a crește curentul de saturație este necesară pentru a crește intensitatea luminii.

Unul dintre parametrii cheie ai orice sensibilitate integrală a fotocelulei este egală cu puterea de saturație a fotocurentului sub flux luminos de 1 lm. Dezavantajul principal este vidul scăzut fotocelule sensibilitate integrală. In mod semnificativ mai mare sensibilitate integrală au tuburile fotomultiplicatoare (PMTS).

Pe fenomenul efectului fotoelectric intern în semiconductori pe bază de fotocelule de supapă de acțiune și fotorezistoare. Acestea sunt aranjate după cum urmează. M un substrat metalic, un strat de semiconductor P (figura 3). În metal - semiconductor în virtutea proprietăților lor fizice diferite ale stratului de barieră este format, care transmite transportatorii într-o singură direcție - din semiconductor în metal.

Când semiconductor iluminat format în acesta un număr mai mare de electroni liberi, rezultând în distribuția purtătoare de echilibru în zona de contact a curentului este rupt și electronii sunt transferați de semiconductoare la metal prin încărcarea unui metal negativ și semiconductor - pozitiv. Astfel. la metal - semiconductor format de doi poli opuși, iar în cazul în care se conectează circuitele conductoare pe un curent va curge fără a - orice sursa de curent suplimentar. Cu alte cuvinte, celula solară de supapă în sine este sursa de curent.

EMF apariția fenomenului de metal de contact de lumină - fără perii semiconductor numit efect fotoelectric.

Spre deosebire de fotocelule valve cu vid transforma direct energia luminoasă în energie electrică. Cele mai eficiente sunt valve fotocelule bazate pe utilizarea contactului între doi semiconductori electronice (n) și orificiul (p) tipul de conductivitate, adică, așa-numitul p-n - tranziție.

Mai multe zeci de conectat seria p-n - tranziții formează bateria solară.

Celulele solare Valve au o sensibilitate cumulativă semnificativ mai mare decât în ​​vid.

Photoresistor sunt depuse pe placa de sticlă a stratului semiconductor pe care suprafața întărită electrozi de alimentare cu curent (Figura 4). Când luminează număr semiconductor de purtători crește în ea brusc, iar rezistența scade dramatic. Prin schimbarea intensității luminii poate fi controlată de rezistență de circuit într-o gamă largă.

Descrierea instalației și progresul lucrărilor.

În această lucrare fotocelulă stibiul vacuum - catod de cesiu. Marginea roșie microni fotoelectrice. Zona de fotocatod

Configurația de laborator vă permite să:

Pentru a investiga caracteristica fotocelula curent-tensiune (IV caracteristică).

Se determină sensibilitatea sa integrală.

Verificați prima lege a efectului fotoelectric.

schema de instalații electrice prezentată în Fig.5. Potențiometru P schimba lin tensiunea aplicată la anod A. Tensiunea măsurată de voltmetru. puterea de microamps fotocurentilor. Catodul K este iluminat de o lampă cu incandescență LA, care poate fi deplasat de-a lungul liniei AB. Intensitatea luminii incidente pe catod este reglementată r distanța între lampă și fotocelula F.