Efect fotoelectric

Efectul fotoelectric , sau efectul fotoelectric , este fenomenul de interacțiune a luminii sau a oricărei alte radiații electromagnetice cu o substanță, în care energia fotonului este transferată electronilor substanței. În substanțele condensate (solide și lichide) se disting un efect fotoelectric extern (absorbția fotonilor este însoțită de emisia de electroni în afara substanței) și intern (electroni care rămân în substanță, schimbându-și starea energetică în ea). Efectul fotoelectric în gaze constă în ionizarea atomilor sau moleculelor sub acțiunea radiațiilor [1] .

Efect fotoelectric extern

Efectul fotoelectric extern ( emisia fotoelectronică ) este emisia de electroni de către o substanță sub influența radiației electromagnetice. Electronii care scapă din materie în timpul unui efect fotoelectric extern se numesc fotoelectroni , iar curentul electric format de ei în timpul mișcării ordonate într-un câmp electric extern se numește fotocurent .

Fotocatod  - un electrod al unui dispozitiv electronic cu vid care este expus direct la radiații electromagnetice și emite electroni sub acțiunea acestei radiații.

Fotocurent de saturație  este curentul maxim al electronilor ejectați, curentul dintre fotocatod și anod, la care toți electronii ejectați sunt colectați la anod.

Caracteristica spectrală a fotocatodului  este dependența sensibilității spectrale de frecvența sau lungimea de undă a radiației electromagnetice.

Istoricul descoperirilor

Efectul fotoelectric extern a fost descoperit în 1887 de Heinrich Hertz [2] [3] [4] . Când lucrați cu un rezonator deschis , el a observat că, dacă străluciți cu lumină ultravioletă pe spacanele de zinc , atunci trecerea scânteii este vizibil facilitată.

În 1888-1890, efectul fotoelectric a fost studiat sistematic de către fizicianul rus Alexander Stoletov [5] , care a publicat 6 lucrări [6] [7] [8] [9] [10] [11] . El a făcut câteva descoperiri importante în acest domeniu, inclusiv prima lege a efectului fotoelectric extern [12] .

Stoletov a ajuns, de asemenea, la concluzia că „Razele cu cea mai mare refracție care lipsesc în spectrul solar au un efect de descărcare, dacă nu exclusiv, atunci cu o enormă superioritate față de alte raze”, adică a ajuns aproape de concluzia că roșul există marginea efectului fotoelectric . În 1891, Elster și Geitel, în timp ce studiau metalele alcaline, au ajuns la concluzia că cu cât electropozitivitatea metalului este mai mare, cu atât este mai mică frecvența de tăiere la care devine fotosensibil [13] .

Thomson în 1898 a stabilit experimental că fluxul de sarcină electrică care iese dintr-un metal în timpul unui efect fotoelectric extern este un flux de particule descoperite de el mai devreme (numite mai târziu electroni). Prin urmare, o creștere a fotocurentului cu creșterea iluminării ar trebui înțeleasă ca o creștere a numărului de electroni ejectați cu creșterea iluminării.

Studiile efectului fotoelectric de către Philip Lenard în 1900-1902 au arătat că, spre deosebire de electrodinamica clasică , energia unui electron emis este întotdeauna strict legată de frecvența radiației incidente și practic nu depinde de intensitatea iradierii .

Efectul fotoelectric a fost explicat în 1905 de Albert Einstein (pentru care a primit Premiul Nobel în 1921 datorită nominalizării fizicianului suedez Carl Wilhelm Oseen ) pe baza ipotezei lui Max Planck despre natura cuantică a luminii. Lucrarea lui Einstein conținea o nouă ipoteză importantă - dacă Planck în 1900 a sugerat că lumina este emisă doar în porțiuni cuantificate, atunci Einstein credea deja că lumina există doar sub formă de porțiuni cuantificate ( fotoni ) cu energia h ν fiecare, unde h  este Planck ' e constantă .

În 1906-1915, efectul fotoelectric a fost procesat de Robert Milliken . El a reușit să stabilească dependența exactă a tensiunii de blocare de frecvență (care de fapt s-a dovedit a fi liniară) și din aceasta a putut să calculeze constanta lui Planck. „Mi-am petrecut zece ani din viață verificând această ecuație einsteiniană a anului 1905”, a scris Millikan, „și contrar tuturor așteptărilor mele, am fost forțat în 1915 să recunosc fără rezerve că a fost confirmată experimental, în ciuda absurdității sale, deoarece părea că contrazice tot ceea ce știm despre interferența luminii.” În 1923, Millikan a primit Premiul Nobel pentru Fizică „pentru munca sa asupra sarcinii electrice elementare și efectului fotoelectric”.

Cercetările asupra efectului fotoelectric a fost unul dintre cele mai vechi studii de mecanică cuantică.

Legile efectului fotoelectric extern

Legile efectului fotoelectric extern :

Prima lege a efectului fotoelectric (legea lui Stoletov) : Puterea fotocurentului de saturație este direct proporțională cu intensitatea radiației luminoase [14] . Cu o compoziție spectrală constantă a radiației electromagnetice incidente pe fotocatod, fotocurentul de saturație este proporțional cu energia de iluminare a catodului (cu alte cuvinte, numărul de fotoelectroni scoși din catod pe unitatea de timp este direct proporțional cu intensitatea radiației). ).

A doua lege a efectului fotoelectric : Energia cinetică maximă a electronilor eliminați de lumină crește cu frecvența luminii și nu depinde de intensitatea acesteia [14] .

A 3-a lege a efectului fotoelectric : Pentru fiecare substanță aflată într-o anumită stare a suprafeței sale, există o frecvență limită a luminii, sub care efectul fotoelectric nu se observă. Această frecvență și lungimea de undă corespunzătoare acesteia se numesc marginea roșie a efectului fotoelectric [14] .

Efectul fotoelectric extern este practic lipsit de inerție . Fotocurent apare imediat când suprafața corpului este iluminată, cu condiția ca efectul fotoelectric să existe [14] .

Cu efectul fotoelectric, o parte din radiația electromagnetică incidentă este reflectată de pe suprafața metalului, iar o parte pătrunde în stratul de suprafață al metalului, semiconductorului sau dielectricului și este absorbită acolo. Prin absorbția unui foton, un electron primește energie de la acesta. Conform teoriei din 1905, din legea conservării energiei, când lumina este reprezentată sub formă de particule ( fotoni ), formula lui Einstein pentru efectul fotoelectric urmează:

unde  – așa-zis. funcția de lucru (energia minimă necesară pentru a îndepărta un electron dintr-o substanță). A nu este folosit pentru a desemna funcția de lucru în literatura științifică modernă ; este energia cinetică  maximă a electronului emis;  este frecvența fotonului incident cu energie  ; h  este constanta lui Planck .

Din această formulă rezultă existența limitei roșii a efectului fotoelectric la T = 0 K, adică existența celei mai joase frecvențe ( ), sub care energia fotonului nu mai este suficientă pentru a „elimina” un electron din metal. Fenomenul în majoritatea substanțelor apare doar în radiațiile ultraviolete, totuși, în unele metale (litiu, potasiu, sodiu), lumina vizibilă este și ea suficientă.

Tensiunea de polaritate inversă aplicată electrozilor reduce curentul fotoelectric, deoarece electronii trebuie să facă o muncă suplimentară pentru a depăși forțele electrostatice. Tensiunea minimă care oprește complet fotocurent se numește tensiune de întârziere sau de blocare . Energia cinetică maximă a electronilor este exprimată în termeni de tensiune de întârziere:

Efectul fotoelectric este împărțit în suprafață , când un fotoelectron zboară din stratul de suprafață al atomilor, și volumetric , când un fotoelectron zboară din volumul unui corp solid. Efectul fotoelectric volumetric este considerat în trei etape:

în prima etapă, electronul atomului este excitat într-o stare excitată, în a doua etapă, sub acțiunea unui câmp electric de tragere, electronul ajunge la suprafață, în a treia etapă, dacă energia electronului este suficientă pentru a depăși bariera potențială de la suprafață, apoi zboară din solid. În termeni generali, se poate scrie:

unde  este energia de legare a unui electron în raport cu nivelul Fermi,  este pierderea de energie a unui electron pe drumul său către suprafață, în principal datorită împrăștierii pe rețeaua cristalină,  este energia cinetică a unui electron emis în vid.

Teoria lui Fowler

Principalele regularități ale efectului fotoelectric extern pentru metale sunt bine descrise de teoria lui Fowler [15] [16] . Potrivit acestuia, după absorbția unui foton într-un metal, energia acestuia este transferată electronilor de conducție, drept urmare electronii gazului din metal constă dintr-un amestec de gaze cu o distribuție normală Fermi-Dirac și un excitat ( deplasat de ) distribuţia energiei.

Densitatea fotocurentului este determinată de formula Fowler:

unde , ,  sunt niște coeficienți constanți în funcție de proprietățile metalului iradiat. Formula este valabilă la energii de excitație de fotoemisie care nu depășesc funcția de lucru a metalului cu mai mult de câțiva electroni volți. Teoria lui Fowler dă rezultate care coincid cu experimentul numai în cazul luminii incidente normale la suprafață.


Ieșire cuantică

O caracteristică cantitativă importantă a efectului fotoelectric este randamentul cuantic Y, numărul de electroni emisi pe foton incident pe suprafața unui corp. Valoarea Y este determinată de proprietățile substanței, starea suprafeței sale și energia fotonului.

Randamentul cuantic al efectului fotoelectric de la metale din regiunile vizibile și din apropierea UV este Y < 0,001 electron/foton. Acest lucru se datorează, în primul rând, adâncimii reduse a evadării fotoelectronilor, care este mult mai mică decât adâncimea de absorbție a luminii din metal. Majoritatea fotoelectronilor își disipă energia înainte de a se apropia de suprafață și pierd oportunitatea de a scăpa în vid. La energiile fotonului apropiate de pragul efectului fotoelectric, majoritatea fotoelectronilor sunt excitați sub nivelul vidului și nu contribuie la curentul de fotoemisie. În plus, coeficientul de reflexie în regiunile vizibile și apropiate UV este mare și doar o mică parte din radiație este absorbită de metal. Aceste limitări sunt parțial eliminate în regiunea UV îndepărtată a spectrului, unde Y atinge 0,01 electron/foton la energiile fotonului E > 10 eV.

Efect fotoelectric vectorial

Efectul fotoelectric vectorial este dependența fotocurentului de direcția de polarizare a luminii incidente, care este o consecință a manifestării proprietăților de undă ale luminii. Fotocurentul crește mai ales puternic atunci când vectorul intensității câmpului electric se află în planul de incidență (sensibilitatea este mult mai mare ca mărime, iar caracteristica spectrală are un maxim selectiv) comparativ cu când este perpendicular pe planul de incidență (fotocurentul crește monoton). cu frecvenţă crescândă). Efectul fotoelectric vectorial se explica prin fotocurentul electronilor situati in stratul de suprafata al metalului, unde actioneaza campul electric al stratului dublu, creand o bariera de potential [17] [18] [19] .

Efect fotoelectric intern

Efectul fotoelectric intern este fenomenul de creștere a conductibilității electrice și de scădere a rezistenței cauzate de iradiere [20] . Se explică prin redistribuirea electronilor asupra stărilor de energie în semiconductori și dielectrici solizi și lichidi , care are loc sub influența radiațiilor, se manifestă printr-o modificare a concentrației purtătorilor de sarcină în mediu și duce la apariția fotoconductivității sau supapei. efect fotoelectric [21] .

Fotoconductivitatea este o creștere a conductibilității electrice a unei substanțe sub acțiunea radiațiilor.

Istoricul descoperirilor

În 1839, Alexander Becquerel a observat [22] efectul fotovoltaic într-un electrolit.

În 1873, Willoughby Smith a descoperit că seleniul este fotoconductor [23] [24] .

Specie

Efect fotoelectric valvă

Efectul fotoelectric de poartă sau efectul fotoelectric în stratul de barieră  este un fenomen în care fotoelectronii părăsesc corpul, trecând prin interfață într-un alt solid ( semiconductor ) sau lichid ( electrolit ).

Efect fotovoltaic

Efect fotovoltaic  - apariția unei forțe electromotoare sub influența radiației electromagnetice [25] . Este folosit pentru a măsura intensitatea luminii incidente (de exemplu, în fotodiode ) sau pentru a genera energie electrică în panouri solare .

Efect fotoelectric sensibilizat

Un efect fotoelectric sensibilizat este un efect fotoelectric însoțit de fenomenul de sensibilizare , adică o modificare a mărimii și spectrului fotosensibilității în fotoconductori cu spații mari de natură organică și anorganică, în funcție de structura compușilor moleculari [26] .

Efect fotopiezoelectric

Efectul fotopiezoelectric este fenomenul de apariție a unei forțe fotoelectromotoare într-un semiconductor în condiții de compresie externă neuniformă a semiconductorului [27] .

Efect fotomagnetic

Efectul fotomagnetic este apariția unei forțe electromotoare într-un semiconductor omogen iluminat într-un câmp magnetic [27] .

Efect fotoelectric nuclear

Când o rază gamma este absorbită , nucleul primește un exces de energie fără a-și modifica compoziția nucleonilor , iar un nucleu cu un exces de energie este un nucleu compus . Ca și alte reacții nucleare , absorbția unei raze gamma de către un nucleu este posibilă numai dacă sunt îndeplinite energia și rapoartele de spin necesare. Dacă energia transferată nucleului depășește energia de legare a nucleonului din nucleu, atunci dezintegrarea nucleului compus format are loc cel mai adesea cu emisia de nucleoni, în principal neutroni . O astfel de dezintegrare duce la reacții nucleare și , care se numesc fotonucleare , iar fenomenul de emisie de nucleoni (neutroni și protoni ) în aceste reacții este efectul fotoelectric nuclear [28] .

Efect fotoelectric multifoton

Într-un câmp electromagnetic puternic, mai mulți fotoni pot interacționa cu învelișul de electroni a unui atom într-un act elementar al efectului fotoelectric . În acest caz, ionizarea unui atom este posibilă cu ajutorul radiației cu energie fotonică . S-a înregistrat ionizarea cu șase și șapte fotoni a gazelor inerte [29] .

Cercetare contemporană

După cum arată experimentele de la institutul național german de metrologie Physikalisch-Technische Bundesanstalt , ale căror rezultate au fost publicate la 24 aprilie 2009 în Physical Review Letters [30] , în intervalul de lungimi de undă de raze X moi la o densitate de putere de câțiva peta wați (10 15 W) pe centimetru pătrat, modelul teoretic general acceptat al efectului fotoelectric se poate dovedi a fi incorect.

Studiile cantitative comparative ale diferitelor materiale au arătat că adâncimea interacțiunii dintre radiație și materie depinde în mod esențial de structura atomilor acestei substanțe și de corelația dintre învelișurile interioare de electroni. În cazul xenonului , care a fost folosit în experimente, impactul unui pachet de fotoni într-un impuls scurt duce aparent la emisia simultană a multor electroni din învelișurile interioare [31] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. , Lebedev A. K. Manual de fizică pentru ingineri și studenți. - M., Onyx, 2007. - Tiraj 5100 exemplare. - ISBN 978-5-488-01248-6 . - Cu. 725
  2. ↑ http://www.britannica.com/science/photoelectric-effect Arhivat 10 ianuarie 2016 la Wayback Machine „Efectul fotoelectric a fost descoperit în 1887 de către fizicianul german Heinrich Rudolf Hertz”.
  3. ↑ H. Hertz (1887), Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung Arhivat la 24 ianuarie 2016 la Wayback Machine (An effect of ultraviolet light on electrical descharge) / Ann. Fiz. , 267: 983-1000. doi: 10.1002/andp.18872670827  (germană)
  4. ↑ Stig Lundqvist, Physics, 1901-1921 Arhivat 4 februarie 2016 la Wayback Machine // World Scientific, 1998, ISBN 9789810234010 , p.121 
  5. ↑ TSB, EFECT FOTO
  6. ↑ Stoletow, A. Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets  (franceză)  // Comptes Rendus :revistă. - 1888. - Vol. VI . — P. 1149 . (Retipărit în Stoletow, MA Despre un fel de curent electric produs de razele ultraviolete  (engleză)  // Philosophical Magazine Series 5: journal. - 1888. - Vol. 26 , nr. 160. - P. 317. - doi : 10.1080/14786448808628270 ; rezumat în Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  7. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-electriques au travers deTair  (franceză)  // Comptes Rendus :revistă. - 1888. - Vol. VI . - P. 1593 . (Rezumat în Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  8. ↑ Stoletow, A. Suite des recherches actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1888. - T. VII . - S. 91 . (Rezumat în Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  9. ↑ Stoletow, A. Sur les phénomènes actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1889. - T. CVIII . - S. 1241 .
  10. ↑ Stoletov, A. Actino-electrical research  (rusă)  // Journal of the Russian Physical and Chemical Society. - 1889. - T. 21 . - S. 159 .
  11. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié  (franceză)  // Journal de Physique  : revistă. - 1890. - Vol. 9 . - P. 468 . - doi : 10.1051/jphystap:018900090046800 .
  12. ↑ TSB, STOLETOV ALEXANDER GRIGORIEVICI
  13. ↑ Dukov V. M.  Recenzii istorice în cursul fizicii de liceu. M.: Prosveshchenie 1983. 160 p.
  14. ↑ 1 2 3 4 Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentele fizicii. Volumul 2. - M., Nauka , 1974. - Tiraj 169.000 exemplare. - Cu. 197
  15. ↑ Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V. Emission electronics . - M . : Nauka, 1966. - S. 564.  (link inaccesibil)
  16. ↑ Fowler, 1931 , pp. 45-56.
  17. ↑ Voronchev T. A., Sobolev V. D. Fundamentele fizice ale tehnologiei electrovacuum. - M .: Şcoala superioară, 1967. - p. 217-220
  18. ↑ Lukirsky, 1933 .
  19. ↑ Lukyanov, 1948 .
  20. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentele fizicii. Volumul 2. - M .: Nauka , 1974. - Tiraj 169.000 exemplare. - Cu. 336
  21. ↑ Kireev P. S. Fizica semiconductorilor. - M .: Liceu , 1975. - Tiraj 30.000 exemplare. - Cu. 537-546
  22. ↑ A. E. Becquerel (1839). „Memorie asupra efectelor electrice produse sub influența raioanelor solare”. Comptes Rendus 9: 561-567
  23. ^ Smith, W. (1873). „Efectul luminii asupra seleniului în timpul trecerii unui curent electric”. Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0
  24. ↑ TSB, FOTOCONDUCTIVITATE
  25. ↑ Efect fotovoltaic - articol din Marea Enciclopedie Sovietică . 
  26. ↑ Akimov I. A., Cherkasov Yu. A., Cherkashin M. I. Efect fotoelectric sensibilizat. - M . : Nauka, 1980. - S. 384.
  27. ↑ 1 2 Tauc Ya. Fenomene foto- și termoelectrice în semiconductori. - M. : IL, 1962. - S. 141.
  28. ↑ Klimov A.N. Fizică nucleară și reactoare nucleare. - M . : Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
  29. ↑ Electronica cuantică. Mica enciclopedie. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1969. - S. 431.
  30. ↑ Fiz. Rev. Lett. 102, 163002 (2009): Laserul ultraviolet extrem excită rezonanța gigant atomică
  31. ↑ S-au descoperit limitele efectului fotoelectric clasic pentru razele X | Nanotehnologie Nanonewsnet . Consultat la 27 aprilie 2009. Arhivat din original pe 28 aprilie 2009.

Link -uri

Literatură

  • Lukirsky P. I. Despre efectul fotoelectric. — L.; M.: Stat. teh.-teor. editura, 1933. - 94 p.
  • Lukyanov S. Yu. Fotocelule. - Moscova; Leningrad :: Editura și tipul II. Editura Acad. Ştiinţe ale URSS, 1948. - 372 p.
  • Ryvkin SM Fenomene fotoelectrice în semiconductori. - M. : Fizmatlit, 1963. - 494 p.
  • Fowler RH Analiza curbelor de sensibilitate fotoelectrică pentru metale curate la diferite temperaturi // Fiz. Rev. - 1931. - Vol. 38.
  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice