Висловив гіпотезу: світло випромінюється і поглинається окремими порціями - квантами (або фотонами). Енергія кожного фотона визначається формулою Е= h ν , де h -постійна Планка, що дорівнює 6,63 . 10 -34 Дж. с, ν - Частота світла. Гіпотеза Планка пояснила багато явищ: зокрема, явище фотоефекту, відкритого в 1887 р. німецьким вченим Генріхом Гер-цем і вивченого експериментально російським ученим А. Г. Столетовим.
Фотоефект — це явище випромінювання електронів речовиною під впливом світла.
В результаті досліджень було встановлено три закони фотоефекту:
1. Сила струму насичення прямо пропорційна інтенсивності світлового випромінювання, що падає на поверхню тіла.
2. Максимальна кінетична енергія фото-електронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Якщо частота світла менше деякої певної для даної речовини мінімальної частоти, то фотоефект не відбувається.
Залежність фотоструму від напруги показана на малюнку 36.
Теорію фотоефекту створив німецький вчений А. Ейнштейн у 1905 р. В основі теорії Ейнштейна лежить поняття роботи виходу електронів з металу та поняття про квантове випромінювання світла. За теорією Ейнштейна фотоефект має таке пояснення: поглинаючи квант світла, електрон набуває енергію hv.При вильоті з металу енергія кожного електрона зменшується на певну величину, яку називають роботою виходу(А вих). Робота виходу — це робота, яку потрібно витратити, щоб видалити електрон з металу. Максимальна енергія електронів після вильоту (якщо немає інших втрат) має вигляд: mv 2 /2 = hv - А вих,Це рівняння носить назву рівняння Ейнштейна .
Якщо hν< А вих то фотоефект не відбувається. Значить, червона межа фотоефектудорівнює ν min =А вих /h
Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фотоефекту, називають фотоелементами.Найпростішим приладом є вакуумний фотоелемент. Недоліками такого фотоелемента є: слабкий струм, мала чутливість до довгохвильового випромінювання, складність у виготовленні, неможливість використання в ланцюгах змінного струму. Застосовується у фотометрії для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості, у кіно для відтворення звуку, у фототелеграфах і фототелефонах, в управлінні виробничими процесами.
Існують напівпровідникові фотоелементи, в яких під дією світла відбувається зміна концентрації носіїв струму. у годинах, мікрокалькуляторах, проходять випробування перші сонячні автомобілі, використовуються в сонячних батареях на штучних супутниках Землі, міжпланетних та орбітальних автоматичних станціях.
З явищем фотоефекту пов'язані фотохімічні процеси, що протікають під дією світла у фотографічних матеріалах.
Називається сукупність методів вимірювання температури тіл, що ґрунтуються на законах теплового випромінювання. Прилади для цього називаються пірометрами.
Ці методи дуже зручні для вимірювання температур різних об'єктів, де складно чи взагалі неможливо застосувати традиційні контактні датчики. Це стосується насамперед вимірювання високих температур.
В оптичній пірометрії розрізняють наступні температури тіла: радіаційну (коли вимір проводиться у широкому інтервалі довжин хвиль), колірну (коли у вузькому інтервалі - інтервалі видимого світла), яскравість (на одній довжині хвилі).
1. Радіаційна температура Т р - це температура абсолютно чорного тіла, за якої його енергетична світність Rдорівнює енергетичній світності R mданого тіла у широкому діапазоні довжин хвиль.
Якщо ж виміряти потужність, випромінювану деяким тілом з одиниці поверхні в досить широкому інтервалі хвиль і її величину зіставити з енергетичною світністю абсолютно чорного тіла, то можна, використовуючи формулу (11), обчислити температуру цього тіла, як
Визначена таким способом температура T pбуде досить точно відповідати справжній температурі Tтільки в тому випадку, якщо тіло, що досліджується, - абсолютно чорне.
Для сірого тіла закон Стефана-Больцмана може бути записаний у вигляді
R m (T) = α T σT 4; де α T< 1.
Підставляючи цей вираз у формулу (1) отримуємо
Для сірого тіла значення радіаційної температури виявляється заниженим ( T p< T), тобто. справжня температура сірого тіла завжди вища за радіаційну.
2. Колірна температура Т ц - це температура абсолютно чорного тіла, при якій відносні розподіли спектральної щільності енергетичної світності цього тіла і тіла максимально близькі у видимій області спектру.
Зазвичай для визначення колірної температури вибирають довжини хвиль 1 = 655 нм (червоний колір), 2 = 470 нм (зелено-блакитний колір). Спектральна щільність енергетичної світності сірих тіл (або близьких до них тіл за властивостями) з точністю до постійного коефіцієнта (коефіцієнта монохроматичного поглинання) пропорційна спектральна щільність енергетичної світності абсолютно чорного тіла. Отже, розподіл енергії в спектрі сірого тіла такий самий, як і в спектрі абсолютно чорного тіла при тій же температурі.
Для визначення температури сірого тіла достатньо виміряти потужність I (λ, Т), що випромінюється одиницею поверхні тіла у досить вузькому спектральному інтервалі (пропорційну r (λ, Т)), для двох різних хвиль. Ставлення I (λ, Т)для двох довжин хвиль дорівнює відношенню залежностей f (λ,Т)для цих хвиль, вид яких дається формулою (2) попереднього параграфа:
(2)
З цієї рівності можна математичним шляхом отримати температуру Т. Отримана таким чином температура називається колірною. Колірна температура тіла, визначена за формулою (2), відповідатиме істинній.
Колірну температуру сірого тіла, що збігається з істинною, можна також знайти із закону усунення Вина.
3. Яскрава температура (Т я) деякого тіла називається температура абсолютно чорного тіла, при якій його спектральна щільність енергетичної світності f (λ, T), для певної довжини хвилі, дорівнює спектральної щільності, енергетичної світності r (λ, Т) даного тіла для тієї ж довжини хвилі.
Оскільки для нечорного тіла спектральна щільність енергетичної світності за певної температури буде завжди нижчою ніж у абсолютно чорного тіла, то справжня температура тіла буде завжди вищою за яскравість.
Як яскравий пірометр використовується пірометр із зникаючою ниткою. Принцип визначення температури заснований на візуальномупорівненні яскравості розжареної нитки лампи пірометра з яскравістю зображення об'єкта, що досліджується. Рівність яскравостей, що спостерігається через монохроматичний світлофільтр (зазвичай вимірювання проводять на довжині хвилі) λ = 660 нм), визначається за зникненням зображення нитки пірометричної лампи на тлі зображення розжареного об'єкта. Напруження нитки лампи пірометра регулюється реостатом, а температура нитки визначається за градуювальним графіком, або таблиці.
Нехай ми в результаті вимірювань отримали рівність яскравостей нитки пірометра та досліджуваного об'єкта та за графіком визначили температуру нитки пірометра Т 1. Тоді, на підставі формули (3) можна записати:
f (λ, T 1)α 1 (λ, T 1) = f (λ , T 2)α 2 (λ, T 2),
де α 1 (λ, T 1)та α 2 (λ, T 2)коефіцієнти монохроматичного поглинання матеріалу нитки пірометра та досліджуваного об'єкта відповідно. T 1і T 2- температури нитки пірометра та об'єкта. Як видно з даної формули, рівність температур об'єкта і нитки пірометра будуть спостерігатися тільки тоді, коли будуть, рівні їх коефіцієнти монохроматичного поглинання в області спектра α 1 (λ, T 1)= α 2 (λ, T 2). Якщо α 1 (λ, T 1)> α 2 (λ, T 2), ми отримаємо занижене значення температури об'єкта, при зворотному співвідношенні завищене значення температури.
Зовнішнім фотоефектомназивається явище випромінювання електронів речовиною під впливом електромагнітного випромінювання. Внутрішнім фотоефектомназивається явище поява вільних електронів у речовині (напівпровідниках) під дією електромагнітного випромінювання Пов'язані (або валентні) електрони стають вільними (у межах речовини). В результаті зменшується опір речовини.
Закони зовнішнього фотоефекту:
1. При незмінному спектральному складі випромінювання сила струму насичення (або число фотоелектронів, що випускаються катодом за одиницю часу) прямо пропорційна потоку випромінювання, що падає на фотокатод, (інтенсивності випромінювання).
2. Для цього фотокатода максимальна початкова швидкість фотоелектронів, отже, їх максимальна кінетична енергія визначається частотою випромінювання і залежить від його інтенсивності.
3. До кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто. мінімальна частота випромінювання ν 0 , за якої ще можливий зовнішній фотоефект. Зазначимо, що значення ν 0 залежить від матеріалу фотокатода та стану його поверхні.
Пояснення зовнішнього фотоефекту з погляду хвильової теорії світла суперечило експериментальним даним. Відповідно до хвильової теорії під дією поля електромагнітної хвилі в металі виникають вимушені коливання електронів в атомі з амплітудою тим більшою, чим більше амплітуда вектора напруженості електричного поля хвилі E o(і, отже, інтенсивність світла I~E o 2).
Внаслідок цього електрони можуть залишати метал і виходити із нього, тобто. може спостерігатися зовнішній фотоефект. Тим вище має бути і швидкість електронів, що вилетіли, тобто. Кінетична енергія фотоелектронів повинна залежати від інтенсивності випромінювання, що суперечить досвідченим даним. За цією теорією випромінювання будь-якої частоти, але досить великий інтенсивності має виривати електрони з металу, тобто. червоної межі фотоефекту не повинно бути.
А. Ейнштейн у 1905 р. показав, що явище фотоефекту та його закономірності можуть бути пояснені на основі квантової теорії М. Планка. Згідно з Ейнштейном, світло (випромінювання) частотою ν не тільки випромінюється, як це припускав М. Планк, але й поширюється в просторі та поглинається речовиною окремими порціями (квантами), енергія яких
E o = hν, (1)
де h= 6,626176 * 10 -34 Дж × с - постійна Планка,
Пізніше кванти випромінювання отримали назву фотонів. За Ейнштейном, кожен квант поглинається лише одним електроном. Якщо енергія кванта більше, ніж робота виходу електрона з металу, тобто. hν >= А вих,то електрон може залишити поверхню металу. Залишок енергії кванта йде на створення кінетичної енергії електрона, що залишив речовину. Якщо електрон звільняється випромінюванням не біля самої поверхні, а на деякій глибині, то частина отриманої енергії може бути втрачена внаслідок випадкових зіткнень електрона в речовині, і його кінетична енергія виявиться меншою. Отже, енергія падаючого на речовину кванта випромінювання витрачається на здійснення електроном роботи виходу і повідомлення фотокінетичної енергії, що вилетів фотоелектрону.
Закон збереження енергії для такого процесу висловлюватиметься рівністю
(2)
Це рівняння називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.
З рівняння Ейнштейна безпосередньо випливає, що максимальна кінетична енергія чи швидкість фотоелектрона залежить від частоти випромінювання. Зі зменшенням частоти випромінювання кінетична енергія зменшується і за деякої частоти може стати рівною нулю. Рівняння Ейнштейна в цьому випадку матиме вигляд
h ν 0 = А вих.
Частота ν 0 відповідна цьому співвідношенню буде мати мінімальне значення і є червоною межею фотоефекту. З останнього ясно, що червона межа фотоефекту визначається роботою виходу електрона та залежить від хімічної природи речовини та стану її поверхні. Довжина хвилі, що відповідає червоному кордону фотоефекту, може бути розрахована за формулою . При hν< А вых фотоэффект прекращается. Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность вещества квантов излучения, а, следовательно, потоку излучения Ф.
З винаходом лазерів були отримані великі потужності випромінювання, в цьому випадку один електрон може поглинути два і більше (N)фотонів (N = 2...7).Таке явище називається багатофотонним (нелінійним) фотоефектом.Ейнштейн для багатофотонного фотоефекту має вигляд
У цьому випадку червона межа фотоефекту може зміщуватися у бік довших хвиль.
Характер залежності фотоструму Iвід різниці потенціалів між анодом та катодом U(вольт – амперна характеристика або ВАХ) при постійному потоці випромінювання на фотокатод монохроматичного випромінювання наведено на Рис. 1.
Існування фотоструму при напрузі U = 0пояснюється тим, що фотоелектрони, що випускаються катодом, мають деяку початкову швидкість і, відповідно, кінетичну енергію, отже, можуть досягати анода без зовнішнього електричного поля. У міру збільшення значення U(у разі позитивного потенціалу на аноді) фотострум поступово зростає, тобто. все більше фотоелектронів досягає анода.
Пологий характер цієї ділянки вольтамперної характеристики свідчить, що електрони вилітають з катода з різними швидкостями. Максимальне значення фотоструму, що називається струмом насичення I насдосягається при такому значенні U,при якому всі електрони, що випускаються катодом, потрапляють на анод. Значення І нас.визначається числом фотоелектронів, що випускаються катодом за 1 сі залежить від величини потоку випромінювання, що падає на фотокатод.
Якщо анод має негативний потенціал, то електричне поле, що утворюється, гальмує рух фотоелектронів. Це призводить до зменшення числа електронів, що досягають анода, а отже, і зменшення фотоструму. Мінімальне значення напруги негативної полярності, у якому жоден з електронів, навіть що має при вильоті з катода максимальної швидкістю, неспроможна досягти анода, тобто. фотострум стає рівним нулю, називається затримує напругою U o .
Значення напруги, що затримує, пов'язане з початковою максимальною кінетичною енергією електронів співвідношенням
З урахуванням цього, що рівняння Ейнштейна можна записати також у вигляді
hν = А вих + eU 0 .
Якщо змінювати величину падаючого на катод потоку випромінювання при тому самому спектральному складі, вольтамперні характеристики матимуть вигляд, наведений на Рис. 2.
Якщо за постійної величині потоку випромінювання змінювати його спектральний склад, тобто. частоту випромінювання, то вольтамперні характеристики змінюватимуться, як показано на Рис.3.
U 0 0 U U 03 U 02 U 01 0 U
F 3 > F 2 > F 1 n = const n 3 > n 2 > n 1 F = const
ФОТОЕФЕКТ, група явищ, пов'язаних зі звільненням електронів твердого тіла від внутрішньоатомного зв'язку під впливом електромагнітного випромінювання. Розрізняють: 1) зовнішній фотоефект, або фотоелектронна емісія, випромінювання електронів із поверхні… … Сучасна енциклопедія
Явище, пов'язане з визволенням електронів твердого тіла (або рідини) під дією електромагнітного випромінювання. Розрізняють:..1) зовнішній фотоефект випромінювання електронів під впливом світла (фотоелектронна емісія), ? випромінювання та ін;..2)… … Великий Енциклопедичний словник
Випускання ел нов у вом під дією ел. магн. випромінювання. Ф. був відкритий у 1887 ньому. фізиком Г. Герцем. Перші фундам. Дослідження Ф. виконані А. Р. Столетовим (1888), а потім нім. фізиком Ф. Ленардом (1899). Перше теоретичне. пояснення законів … Фізична енциклопедія
Сущ., кіл у синонімів: 2 фото ефект (1) ефект (29) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів
фотоефект- - [В.А.Семенов. Англо-російський словник з релейного захисту] Тематики релейний захист EN photoeffect … Довідник технічного перекладача
ФОТОЕФЕКТ- (1) вентильне виникнення електрорушійної сили (фотоЕРС) між двома різнорідними напівпровідниками або між напівпровідником та металом під дією електромагнітного випромінювання; (2) Ф. зовнішній (фотоелектронна емісія) випромінювання електронів з … Велика політехнічна енциклопедія
А; м. Фіз. Зміна властивостей речовини під впливом світлової енергії; фотоелектричний ефект. * * * фотоефект явище, пов'язане зі звільненням електронів твердого тіла (або рідини) під дією електромагнітного випромінювання. Розрізняють: … … Енциклопедичний словник
Випускання електронів речовиною під впливом електромагнітного випромінювання (Фотонів). Ф. був відкритий у 1887 р. Герцем. Перші фундаментальні дослідження Ф, виконані А. Г. Столетовим (1888). Він встановив, що у виникненні фотоструму в ... Велика Радянська Енциклопедія
- (Див. фото ... + афект) фіз. зміна електричних властивостей речовини під дією електромагнітних випромінювань (світла, ультрафіолетових, рентгенівських та інших променів), напр, випромінювання електронів назовні під дією світла (зовнішній ф.), зміна… Словник іноземних слів російської мови
Книги
- , П.С. Тартаковський. Відтворено в оригінальній авторській орфографії видання 1940 року (видавництво ГІТТЛ). У…
- Внутрішній фотоефект у діелектриках, П.С. Тартаковський. Ця книга буде виготовлена відповідно до Вашого замовлення за технологією Print-on-Demand.
Відтворено в оригінальній авторській орфографії видання 1940 року (видавництво "ГІТТЛ").
Сторінка 1
Явище фотоефекту, відкрите 1887 р. Герцем і детально досліджене А. Р. Столетовим, у тому, що метали (чи напівпровідники) за впливу них світла випускають електрони. Пояснити фотоефект виходячи з хвильової теорії світла неможливо. Проте виліт електронів спостерігається відразу після освітлення металу. Крім того, згідно з хвильовою теорією, енергія Е3 електронів, що випускаються металом, повинна бути пропорційна інтенсивності падаючого світла. Однак було встановлено, що Ее від інтенсивності світла не залежить, а залежить від його частоти, збільшуючись із зростанням v; зростання інтенсивності призводить лише до збільшення числа електронів, що вилітають з металу.
| Явище фотоефекту полягає у вириванні електронів з речовини, що падає на нього світлом. Основні риси цього явища зводяться до наступного. Пучок світла, що падає на поверхню металу, звільняє з металу електрони за умови, що частота світла вище певного критичного значення, що залежить від роду металу. Кількість електронів, що вириваються в одиницю часу, при незмінному спектральному складі випромінювання пропорційно падаючого на поверхню металу світловому потоку. |
Статичні характеристики германієвого фотодіода.
Явище фотоефекту можна використовувати також у р-п-переході, який подано зворотне напруга.
Явище фотоефекту виявляється при освітленні цинкової пластини, з'єднаної зі стрижнем електрометра.
Явище фотоефекту, відкрите А. Р. Столетовим в 1888 р., у тому, що під впливом світла з різних тіл вириваються електрони, унаслідок чого це тіло набуває заряд. Причому це явище спостерігається лише за умови, якщо енергія світлового кванта більша за роботу, необхідну для відриву електрона з поверхні даної речовини, та повідомлення йому деякої кінетичної енергії.
Явище фотоефекту полягає в тому, що промені світла, падаючи на будь-яке тіло (незалежно від його хімічної природи та фізичного стану), вибивають із нього електрони.
Явище фотоефекту було вперше виявлено 1819 р. російським хіміком Гротгусом.
Вперше явище фотоефекту було помічено Герцем у 1887 р. Герц виявив, що опромінення іскрового проміжку ультрафіолетовими променями полегшує розряд.
Сутність явища фотоефекту полягає в тому, що при освітленні поверхні металів або напівпровідників частинки променистої енергії проникають у поверхневі шари освітленого тіла та повідомляють його електронам додаткову енергію. Внаслідок цього електрони освітленого тіла починають рухатися з великими швидкостями і виходять зі своїх звичайних орбіт руху. Це явище прискорення руху електронів освітленого тіла під дією променистої енергії та названо явищем фотоефекту.
У явищі фотоефекту електрони, що вириваються з поверхні металу випромінюванням частотою 2 - 104 Гц, повністю затримуються гальмуючим полем при різниці потенціалів 7, а при частоті 4 - Ю1 Гц - при різниці потенціалів 15 В.
Внутрішній фотоефектбув відкритий 1873 року американцем У.Смітом і англійцем Дж.Мейєм. Тобто раніше, ніж зовнішній фотоефект.
Для спостереження внутрішнього фотоефекту в шкільних умовах можна скористатися фотодіодом (не плутати зі світлодіодом) або старим транзистором, у якого акуратно спиляно металеву кришечку, щоб відкрити доступ світла до напівпровідникового кристала. Якщо його приєднати до випрямляча та гальванометра, ви зможете спостерігати, як навіть при денному освітленні провідність кристала різко зростає. Така провідність називається фотопровідністю.
Закони внутрішнього фотоефекту набагато складніші за закони зовнішнього, і тут ми не будемо їх розглядати. Однак відзначимо, що вони спираються на відомі вам з хімії поняття валентності, електронних рівнів та ін., і дозволяють пояснити виникнення фотоефекту напівпровідників.
Зовнішній фотоефект знайшов застосування у техніці ще першій половині ХХ століття. Це, звичайно ж, голос насамперед німого кінематографа. Фотоелемент дозволяє перетворити звук, «сфотографований» на кіноплівці, на чутний. Світло звичайної лампи проходило через звукову доріжку кіноплівки, змінювалося і потрапляло на фотоелемент (див. фото). Чим більше світла проходило через доріжку, тим гучнішим був звук у динаміці. У неживій природі зовнішній фотоефект проявляється мільйони років у планетарних масштабах. Потужне сонячне випромінювання, впливаючи на атоми і молекули земної атмосфери, вибиває їх електрони, тобто іонізує верхні шари атмосфери.
Внутрішній фотоефект нині у техніці використовується набагато частіше зовнішнього. Наприклад, він перетворює світло на електричний струм у фотоелементах та величезних сонячних батареях космічних кораблів. Фотоефект «працює» і в спеціальних світлочутливих приладах, таких як фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори. Завдяки цьому можна вважати деталі на конвеєрі або робити автоматичне включення та вимкнення різних механізмів (маяки, вуличне освітлення, автоматичне відчинення дверей та ін.). Також завдяки внутрішньому фотоефекту можна перетворювати зображення на електричні сигнали і передавати на відстань (телебачення).
Найбільш великомасштабне застосування фотоефекту сьогодні – це вже збудовані сонячні електростанції, а також проекти будівництва нових таких станцій потужністю до кількох сотень мегават. За оцінками фахівців, у 2020 році до 20% світової електроенергії вироблятимуться за рахунок фотоелектричного перетворення сонячної енергії на Землі та в космосі.
(C) 2012. Люкіна Тетяна Віталіївна (Кемеровська область, м.Ленінськ-Кузнецький)