Тема 8. Фотоэлектрический эффект.

Гипотеза Планка о том, что свет испускается и поглощается отдельными порциями – квантами, нашла свое подтверждение и дальнейшее развитие в ряде явлений: фотоэффекте, химическом действии света, эффекте Комптона и т.д.

В 1887 году Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника ультрафиолетовыми лучами разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствии освещения. Позже, в опытах Столетова и Гальвакса было показано, что это явление обусловлено выбиванием отрицательных зарядов из металлического катода разрядника под действием света.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения) называют внешним фотоэффектом

Схема опыта по изучению фотоэффекта изображена на рис. 8.1.

Плоский конденсатор, одной из обкладок которого служила медная сетка С, а второй – цинковая пластина D, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи Б.

Рис. 8.1.

При освещении отрицательно заряженной пластины D светом от источника S в цепи возникал электрический ток, названный фототоком. Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D. Освещение положительно заряженной обкладки С не приводило к возникновению фототока. Тем самым было экспериментально доказано, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы. Измерение удельного заряда этих частиц по их отклонению в магнитном поле показало, что это – электроны.

Опыты Столетова позволили установить зависимость между поданным на электроды напряжением и возникающем током. Зависимость силы фототока от напряжения называется вольтамперной характеристикой и имеет вид, изображенный на рис. 8.2.

Из рисунка видно, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света (кривая 2 соответствует более высокой освещенности, чем в случае 1), а во-вторых, при фиксированной

Рис. 8.2.

интенсивности облучения, она сначала растёт по мере повышения напряжения, но, достигнув определённого значения, уже не увеличивается. Это значение силы тока называется током насыщения.

Если между катодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U_зап (запирающий потенциал) анодный ток прекращается. Столетову удалось измерить это напряжение и по его величине рассчитать максимальную кинетическую энергию вырванных светом электронов.

Законы внешнего фотоэффекта

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в единицу времени, прямо пропорционально интенсивности светового потока Ф (количеству энергии, падающей со светом за единицу времени на единичную поверхность катода) и не зависит от частоты света.

2. Для каждого вещества существует определенная для данного вещества минимальная частота _кр, при которой еще возможен фотоэффект. Если частота света меньше минимальной частоты, то фотоэффект не происходит (_кр называется «красной границей фотоэффекта», так как для многих металлов ₀ лежит в области красного света).

3. Максимальная начальная скорость вырываемых электронов определяется частотой света и не зависит от интенсивности падающего светового потока.

Объяснить природу фотоэффекта с помощью волновой теории света не удалось.

Только в 1905 г. Эйнштейн раскрыл сущность фотоэффекта. Он развил идеи Планка о квантовом характере излучения энергии атомами – осцилляторами и предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями - оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций - световых квантов. Следовательно, распространение электромагнитного излучения нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (элементарных частиц - фотонов). Энергия фотона  связана с частотой электромагнитного излучения  соотношением, предложенным ранее Планком,  = h (h-постоянная Планка).

При исследовании фотоэффекта было установлено, что свободный электрон не может поглотить фотон, так как не выполняются законы сохранения импульса и энергии. При взаимодействии кванта света с электроном необходимо участие третьего тела. Роль такого тела могут выполнять, например, примеси, неоднородности или дефекты кристаллической решетки.

Фотоэлектрон при прохождении через поверхность металла должен преодолеть потенциальный барьер, на что затрачивается энергия, равная работе выхода.

Согласно зонной теории твердых тел электроны заполняют уровни зоны проводимости в металлах. На рис. 8.3 представлена схема границы металл - вакуум при фотоэмиссии. Здесь W_F - энергия Ферми, W_вак - энергия электрона в вакууме (свободный электрон), W_кин - кинетическая энергия электрона.

Согласно Эйнштейну, энергия фотона, поглощенного металлом, pасходуется электроном на пpеодоление поверхностного потенциального баpьеpа (эта часть энеpгии называется pаботой выхода электpона из металла А), а оставшаяся

Рис. 8.3.

после этого энергия (если останется) идет на сообщение электpону вне металла кинетической энеpгии.

На основе теории Эйнштейном было получено соотношение, названное уравнением Эйнштейна: hv=А_вых+W_k,

где hv - энергия, которую отдаёт фотон, А_вых - работа выхода электрона из вещества, W_k = mv²/2 - кинетическая энергия освобождённого электрона. Теория Эйнштейна объясняет все законы Столетова.

Первый закон фотоэффекта следует из того, что интенсивность света пропорциональна числу фотонов, падающих за единицу времени на поверхность единичной площади, а каждый фотон может вырывать только один электрон. Поэтому увеличение числа фотонов вызывает возрастание числа испущенных в единицу времени электронов (рис.8.4).

Также ясно, что фотоэффект могут вызывать только фотоны, соответствующие свету достаточно высокой частоты (рис.8.5). То есть, фотоэффект будет происходить только при h >Aвых, т.е. существует

Рис. 8.4.

некоторая минимальная частота (рис.8.5 ), _кр = A_вых /h, при которой начинается это явление (или граничная частота фотоэффекта).

Из формулы Эйнштейна также видно, что максимальная начальная скорость электронов зависит только от частоты  и материала катода (рис. 8.6). Из сказанного ясно, что запирающий потенциал и кинетическая энергия электронов

Рис. 8.5.

связаны соотношением: еU_зап = .

Отметим, что только малая часть квантов поглощается электронами, остальные поглощаются кристаллической решеткой, нагревая ее. КПД внешнего фотоэффекта имеет порядок 0,1%.

Рис. 8.6.

Число электронов, вылетающих из металла, в пересчете на один падающий фотон, называют квантовым выходом, который для металлов возрастает с увеличением частоты падающего фотона. Квантовый выход определяет чувствительность фотоэлементов к свету. Фотоэффект является безинерционным, так как время вылета электрона из металла после его освещения составляет порядка 10^-9 с. Квантовый выход для всех веществ имеет селективный характер, который напоминает резонансные явления.

Селективность зависит от направления поляризации света и угла падения лучей на поверхность вещества. Если падающий свет поляризован так, что вектор Е совершает колебания параллельно плоскости падения Е_\\, то эффект резко усиливается (рис. 8.7 ).

При повороте плоскости на 900 , когда напряженность электрического поля равна , эффект исчезает. На рис. 8.7. кривая 1 – спектральная характеристика фототока, когда падающий свет поляризован и вектор Е совершает колебания параллельно плоскости падения.

Рис. 8.7.

Кривая 2 – спектральная характеристика фототока, когда падающий свет поляризован и вектор Е совершает колебания перпендикулярно плоскости падения.

Дальнейшие исследования подтвердили все выводы теории Эйнштейна и позволили найти величину h, которая совпала с величиной постоянной Планка. Этот эксперимент подтвердил два предположения: а) свет состоит из частиц – квантов; б) энергия кванта равна h.

Внутренний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении светом полупроводников. Под влиянием фотоионизации атомов (ионов) происходит уменьшение сопротивления вещества.

При внутреннем фотоэффекте в чистых полупроводниках при получении дополнительной энергии электроны переходят из валентной зоны «В» в зону проводимости «С» (8.8), поэтому увеличивается проводимость. В валентной зоне «В» образуется дырка, которую занимает электрон с более низких уровней валентной зоны, и т.д. Число электронов в зоне проводимости растет.

Основным параметром, определяющим фотоэлектрические свойства вещества, является ширина запрещенной зоны .

Рис. 8.8.

Чем меньше ширина запрещенной зоны , тем дальше в сторону длинных волн простирается граница внутреннего фотоэффекта. Если на полупроводник падает фотон, энергия которого h , то фотоэффект наблюдается. Сопротивления, изготовленные из таких веществ, называются фотосопротивлениями.

Существует также вентильный фотоэффект, когда под действием света нарушается баланс в запирающем слое на стыке полупроводников “р” и ”n” типа в так называемом “р –n” переходе. Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое называются вентильными фотоэлементами.

Применение фотоэффекта и в быту, и в технике очень распространено. Так называемые фотоэлементы (рис. 8.9) применяются как оптические датчики на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали, в кино. Они широко используются в солнечных батареях.

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств. Обычно фотоэлементы используют совместно с усилителями, вследствие малого значения фототока, который может быть получен от фотоэлемента.

Рис. 8.9.