Реферат

Нижегородский Государственный Технический Университет.

Реферат по физике.

« Фотоэффект. Красная граница фотоэффекта »

Выполнил: Феоктистов П.Г.

группа 04-Р-1

Проверил: Раевский С.Б.

Нижний Новгород

2006

В 1887 г. Генрих Герц (1857—1894) обнаружил, что освеще­ние ультрафиолетовым светом отрицательного электрода искро­вого промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между его электродами. Занятый в то время исследованиями электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, Герц не обратил на это явление серьезного вни­мания. Первые исследования явления принадлежат Хальваксу (1859—1922), Риги (1850—1921) и в особенности А. Г. Столе­тову (1839—1896).

Сущность явления, обнаруженного Герцем, состоит в том, что при освещении ультрафиолетовыми лучами отрицательно заряженного металлического тела оно теряет отрицательный за­ряд. При освещении такими же лучами положительно заряжен­ного тела потери заряда не наблюдается. Более того, если тело не было заряжено, то при освещении оно заряжается положи­тельно до потенциала в несколько вольт. После открытия электрона в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (1856—1940) опытами са­мого Томсона, а также Ленарда (1862—1947) вскоре был найден удельный заряд для частиц, теряемых телами при освещении. Он оказался таким же, как и для частиц катодных лучей. Тем самым было доказано, что при освещении тела теряют электроны.

Явление вырывания электронов из вещества при освещении его светом получило название фотоэлектрического эффекта или, короче, фотоэффекта. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется ис­пускание электронов веществом под дей­ствием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводни­ках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

В 1888—1889 гг. А. Г. Столетов подверг фотоэффект системаматическому исследованию с помощью установки, схема кото­рой показана на рис.1. Конденсатор, образованный проволоч­ной сеткой и сплошной пластиной, был включен последовательно с гальванометром G в цепь батареи. Свет, проходя через

сетку, падал на сплошную пластину. В результате в цепи возникал ток, регистрировавшийся гальванометром. На основании своих опы­тов Столетов пришел к следующим выводам: 1) наибольшее действие оказывают

Рис.1 Рис.2 ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока воз­растает с увеличением освещенности пластины; 3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Спустя 10 лет (в 1898 г.) Ленард и Томсон, измерив удель­ный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами.

Ленард и другие исследователи усовершенствовали прибор Столетова, поместив электроды в эвакуированный баллон рис.2. Свет, проникающий через кварцевое окошко Кв, освещает .катод К, изготовленный из исследуемого материала.

Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате в цепи прибора течет фототок, измеряемый гальванометром G. На­пряжение между анодом и_ катодом можно изменять с помощью потенциометра П.

Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В ре­зультате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (по­вышению электропроводности полупро­водника или диэлектрика при его освеще­нии) или к возникновению э. д. с. Вентильный фотоэффект — возникно­вение э. д. с. (фото-э. д. с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразо­вания солнечной энергии в электрическую.

Приведенная на рис.2 экспериментальная установка, позволяет исследовать вольт-амперную характеристику (т.е. кривую зависимости фототока I от напряжения между электродами U) рис.3. Естественно, что характеристика снимается при неизменном потоке света Ф. Из этой кривой видно, что при некотором не очень большом напря­жении фототок достигает насыщения - все электроны, испущен­ные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока на­сыщения определяется, количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны

Рис.3 вылетают из катода с различными по величине скоростями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U=0, обладает скоростями достаточными для того, чтобы долететь до анода «самостоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение . При таком напряжении ни одному из элек­тронов, даже обладающему при вылете из "катода наибольшим значением скорости , не удаётся преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому можно, написать что

(1)

где т — масса электрона. Таким образом, измерив задерживаю­щее напряжение , можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

К 1905 г. было выяснено, что максимальная скорость фото­электронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты - увеличение частоты приводит к возрастанию скорости. Установленные экспериментально зависимости не укладываются в рамки классических представлений. Например, скорость фотоэлектронов по классическим понятиям должна воз­растать с амплитудой, а следовательно, и с интенсивностью электромагнитной волны.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фото­эффекта легко объясняются, если предположить, что свет погло­щается такими же порциями (квантами), какими он, по пред­положению Планка, испускается. По мысли Эйнштейна, энер­гия; полученная электроном, доставляется ему в виде кванта , который усваивается им целиком. Часть этой энергии, рав­ная работе выхода А, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии, равная , может быть потеряна вследствие случайных столк­новений в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. Энергия бу­дет максимальна, если = 0. В этом случае должно выполняться

соотношение

(2)

которое называется формулой Эйнштейна.

Фотоэффект и работа выхода в сильной степени зависят от состояния поверхности металла (в частности, от находящихся на ней окислов и адсорбированных веществ). Поэтому долгое время не удавалось проверить формулу Эйнштейна с достаточ­ной точностью. В 1916 г. Милликен создал прибор, в котором исследуемые поверхности подвергались очистке в вакууме, после чего измерялась работа выхода и исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света (эта энергия определялась путем измерения задерживаю­щего потенциала ). Результаты оказались в полном согласии с формулой (2).

Подставив в формулу (2) измеренные значения А и (при данной ), Милликен определил значение постоянной Планка , которое оказалось совпадающим со значениями, най­денными из спектрального распределения равновесного тепло­вого излучения и из коротковолновой границы тормозного рент­геновского спектра.

Дальнейшее усовершенствование методики исследования фо­тоэффекта было осуществлено в 1928 г. П. И. Лукирским и С. С. Прилежаевым, которые создали прибор в виде сфериче­ского конденсатора. Анодом в их приборе служили посеребрен­ные стенки стеклянного сферического баллона. В центре бал­лона помещался катод в виде шарика. При такой форме элек­тродов вольт-амперная характеристика идет круче, что позво­ляет повысить точность определения задерживающего потен­циала.

Из формулы (2) вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта , электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для возникновения фотоэф­фекта необходимо выполнение условия , или

(3)

Соответственно для длины волны получается условие

(4)

Частота или длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность квантов света. Вместе с тем световой поток Ф определяется ко­личеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. В соответствии с этим ток насыщения должен быть пропорционален падающему световому потоку:

~ Ф (5)

Эта зависимость также подтверждается экспериментально. За­метим, что лишь малая часть квантов передает свою энергию фотоэлектронам. Энергия остальных квантов затрачивается на, нагревание вещества, поглощающего свет.

В рассмотренном выше явлении фотоэффекта электрон полу­чает энергию от одного лишь фотона. Такие процессы называ­ются однофотонными. С изобретением лазеров были по­лучены недостижимые до тех пор мощности световых пучков. Это дало возможность осуществить многофотонные про­цессы. В частности, был наблюден многофотонный фотоэффект, в ходе которого электрон, вылетающий из металла, получает энергию не от одного, а от N фотонов (N=2,3,4,5)

Формула Эйнштейна в случае многофотонного фотоэффекта выглядит следующим образом:

(6)

Соответственно красная граница фотоэффекта смещается в сто­рону более длинных волн ( увеличивается в N раз). Формула (5) в случае N-фотонного эффекта имеет вид

. (7)

Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, по­лучивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы - прием­ники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фото­элемент. Он представляет собой откачен­ный стеклянный баллон, внутренняя по­верхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещае­мая в центре баллона. Фотоэлемент вклю­чается в цепь батареи, э. д. с. которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей об­ластью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения исполь­зуется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излуче­ния и коротковолновой части видимого света - сурьмяноцезиевый. Вакуумные фо­тоэлементы безынерционны и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуум­ные фотоэлементы в качестве фотометри­ческих приборов, например фотоэлектри­ческий экспонометр, люксметр (измери­тель освещенности) и т. д.

Для увеличения интегральной чувстви­тельности вакуумных фотоэлементов (фо-тоток насыщения, приходящийся на 1 лм светового потока) баллон заполняется раз­реженным инертным газом (Аг или Ne при давлении 1,313 Па). Фототок в таком элементе, называемом газонаполненным, усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Интегральная чувствительность газона­полненных фотоэлементов (1 мА/лм) гораздо выше, чем для вакуумных (20—150 мкА/лм), но они обладают по сравнению с последними большей инер­ционностью (менее строгой пропорцио­нальностью фототока интенсивности излучения), что приводит к ограниче­нию области их применения.

Для усиления фототока применяются фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом используется явле­ние вторичной электронной эмиссии. Размеры фотоэлектронных умножи­телей немного превышают размеры обыч­ной радиолампы, общий коэффициент уси­ления составляет (при напряжении питания 1-1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умножители начинают вытеснять фотоэлементы, прав­да их применение связано с использо­ванием высоковольтных стабилизиро­ванных источников питания, что несколь­ко неудобно.

Фотоэлементы с внутренним фотоэф­фектом, называемые полупроводниковы­ми фотоэлементами или фотосопротивле­ниями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувстви­тельностью, чем вакуумные. Для их изго­товления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют «красную границу» фотоэффекта не вы­ше 1,1 мкм, то применение фотосопро­тивлений позволяет производить измере­ния в далекой инфракрасной области спектра (34 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низ­кое напряжение питания. Недостаток фо­тосопротивлений — их заметная инерцион­ность, поэтому они непригодны для реги­страции быстропеременных световых по­токов.

Фотоэлементы с вентильным фотоэф­фектом, называемые вентильными фото­элементами (фотоэлементами с запираю­щим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсив­ности излучения, имеют большую по срав­нению с ними интегральную чувствитель­ность (примерно 2 — 30 мА/лм) и не нуж­даются во внешнем источнике э. д. с. К числу вентильных фотоэлементов отно­сятся германиевые, кремниевые, селено­вые, купроксные, сернисто-серебряные и др.

Кремниевые и другие вентильные фото­элементы применяются для создания сол­нечных батарей, непосредственно преоб­разующих световую энергию в электри­ческую. Эти батареи уже в течение мно­гих лет работают на советских косми­ческих спутниках и кораблях. К.п.д. этих батарей составляет 10 % и, как показы­вают теоретические расчеты, может быть доведен до 22%, что открывает широ­кие перспективы их использования в ка­честве источников электроэнергии для бы­товых и производственных нужд.

Рассмотренные виды фотоэффекта ис­пользуются также в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в различных системах связи и т. д.