Лекция № 2 Фотоэлектрический эффект. Световое давление

1. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

2. Основные законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Красная граница.

3. Корпускулярные свойства света. Фотоны. Энергия, импульс и масса фотона.

4. Давление света.

5. Эффект Комптона.

6. Корпускулярно-волновой дуализм.

1. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

При взаимодействии электрического излучения с веществом излучение передает веществу энергию. В результате такого взаимодействия появляется ряд эффектов. Один из них обнаружен Герцем в 1887 году и назван фотоэлектрическим эффектом - это явление вырывания из тел электронов под действием света. Подробно это явление было исследовано Столетовым.

Столетов установил следующие закономерности:

1. Наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение.

2. Под действием света вещество теряет только отрицательные заряды.

3 . Сила тока, возникающая под действием света, прямопропорциональна его интенсивности.

Различают фотоэффекты внешний, внутренний, вентильный.

1. Внешний - испускание электронов веществом под действием света (твердые тела: металлы, полупроводники, диэлектрики; и газы).

2 . Внутренний - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу, что приводит к возникновению фотопроводимости.

3 . Вентильный - возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла, при отсутствии внешнего электрического поля. Это прямой путь преобразования солнечной энергии в электрическую (рис. 2.2).

Для исследования фотоэффекта была создана установка: на ней была снята вольт - амперная характеристика фотоэффекта (рис. 2.5).

З ависимость фототока J_Ф, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами. По мере возрастания U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока J_нас- фототок насыщения- определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: , где n - число электронов, испускаемых катодом в 1с.

И з характеристики следует, что при , . Для того чтобы , необходимо приложить задерживающее напряжение U_з:

.

2. Основные законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Красная граница

Существуют 3 закона фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в ед. времени, пропорционально интенсивности света (рис. 2.4).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой , а именно, линейно возрастает с увеличением (рис. 2.3).

3. Для каждого вещества существует “красная граница” фотоэффекта, т.е. минимальная частота , при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

В 1905 году Эйнштейн показал, что явления фотоэффекта могут быть объяснены на основе квантовой теории. Свет частотой не только испускается, как предложил Планк, но и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых:

или , ( .

Эти кванты получили название частиц фотонов. Энергия поглощающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии

.

По закону сохранения энергии,

.

Это и есть уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

При уменьшении частоты света уменьшается кинетическая энергия электрона, и при , , тогда, согласно уравнению Эйнштейна,

, .

Это уравнение и есть “красная граница” фотоэффекта.

Она зависит лишь от работы выхода, т.е. химической природы вещества и состояния его поверхности.

Тогда уравнение Эйнштейна будет иметь вид:

,

т.к. , ,

.

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов: фотоэлементов, фотоумножителей, фоторезисторов, фотодиодов.

Эти средства используются в автоматизированных системах управления.