2.Фотоелектричний ефект. Дослідження о.Г.Столєтова

Фотоелектричний ефект (фотоефект): переход електронів речовини в новий енергетичний стан під дією електромагнітного випромінювання.

Фотоефект поділяється на зовнішній, внутрішній і вентильний.

Внутрішній фотоефект - це викликані електромагнітним випромінюванням переходи електронів усередині напівпровідника або діелектрика зі зв'язаних станів у вільні без вильоту назовні. У результаті концентрація носіїв струму усередині тіла збільшується, що приводить до виникнення фотопровідності - підвищенню електропровідності напівпровідника або діелектрика при його освітленні.

В ентильний фотоефект (різновид внутрішнього фотоефекта) - виникнення ЕРС (фото- ЕРС) при освітленні контакту двох різних напівпровідників або напівпровідника й металу (при відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект використовується в сонячних батареях для прямого перетворення сонячної енергії в електричну.

Зовнішній фотоефект (фотоелектронна емісія) – виривання електронів з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання.

На рис. 1.1 показана схема установки для вивчення зовнішнього фотоефекту в металах.

Світло падає скрізь вікно на поверхню фотокатода К, який розміщується в середині вакуумованої трубки. Залежність фотоструму І в трубці від різниці потенціалів U анода А і катода К при постійній енергетичній освітленості Е_е катода монохроматичним світлом зображено на рис. 1.2.

При U = U_о жоден з електронів не може подолати затримуючого поля й досягтися анода.

І снування фотоструму при негативних значеннях U від 0 до – U_о свідчить, що фотоелектрони мають початкову швидкість, коли виходять з катоду. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів зв’язана з гальмуючим потенціалом U_о співвідношенням:

, (1.1)

де е і m – абсолютна величина заряду і маса електрона.

Фотострум збільшується зі зростанням U лише до граничного значення І_н, який називається фотострумом насичення. При фотострумі насичення всі електрони, які вилітають з катода під дією світла, досягають анода. Тобто,

,

де – кількість фотоелектронів за 1 с, які залишають катод.

Закони зовнішнього фотоефекту:

1. Закон Столетова: при незмінному спектральному складі світла фотострум насичення пропорційний енергетичній освітленості фотокатода: І_н ~ Е_е і ~ Е_е.

2. Для даного фотокатода максимальна початкова швидкість фотоелектронів залежить від частоти світла і не залежить від його інтенсивності.

3. Для кожного фотокатода існує червона границя зовнішнього фотоефекту, яка визначається мінімальної частотої світла , при якій ще можливе існування зовнішнього фотоефекту.

3.Квантова теорія фотоефекту

Другий і третій закони зовнішнього фотоефекту не вдається витлумачити на підставі класичної електромагнітної теорії світла. Згідно з цією теорією виривання електронів провідності з металів є наслідком їх „розгойдування” в електромагнітному полі світлової хвилі, яке повинне підсилюватись при зростанні інтенсивності світла і пропорційної її енергетичної освітленості фотокатода.

Ейнштейн, в продовж ідеї Планка про квантовану енергію атомів – осциляторів, висловив гіпотезу, згідно якої світло не тільки випромінюється, але і розповсюджується в просторі і поглинається речовиною у вигляді дискретних квантів електромагнітного випромінювання – фотонів.

При зовнішньому фотоефекті електрон провідності металів поглинає фотон, одержує його енергію повністю. Для виходу з металу електрон повинен здійснити роботу виходу А. Тому рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту, яке виражає закон збереження енергії при фотоефекті, має вигляд:

(1.2)

З рівняння Ейнштейна безпосередньо випливає другий закон фотоефекту:

(1.3)

Таким чином, і залежать тільки від частоти світла і роботи виходу електрона з фотокатода.

Максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти світла по лінійному закону. Вона перетворюється в нуль при частоті , яка відповідає червоній границі зовнішнього фотоефекту:

(1.4)

Отже, червона границя залежить тільки від роботи виходу електрона з металу.

На рис. 1.3 зображена залежність максимальної кінетичної енергії фотоелектронів від частоти світла для цинку і нікелю. Усі прямі паралельні один одному, причому похідна не залежить від матеріалу катода й чисельно рівна постійної Планка h. Відрізки, що відсікаються на осі ординат, чисельно дорівнюють роботі А виходу електронів з відповідних металів.

При дуже великій інтенсивності світла спостерігається багатофотонний фотоефект: електрон може одночасно отримати енергію не одного, а N фотонів. У цьому випадку рівняння закону збереження енергії при зовнішньому фотоефекті під дією світла частоти має вигляд:

(1.5)

Червона границя N – фотонного фотоефекту .

Зовнішній фотоефект – безінерційний, тобто випускання фотоелектронів починається одразу ж як тільки на фотокатод падає світло з частотою . Це є ще одне підтвердження квантового характеру взаємодії світла з речовиною.

6⁰ Основні закономірності зовнішнього фотоефекту для металів добре описуються теорією Фаулера. Згодне їй, після поглинання в металі фотона, його енергія переходить електронам провідності, внаслідок чого електронний газ в металі складається з суміші газів з нормальним розподілом Фермі-Дираку і збудженим (зрушеним на hν) розподілом по енергіях. Густина фотоструму визначається формулою Фаулера:

де B₁, B₂, B₃ – постійні коефіцієнти, залежні від властивостей опромінюваного металу.

7. Як показали експерименти в національному метрологічному інституті Німеччини Physikalisch-Technische Bundesanstalt, результати яких опубліковані 24 квітня 2009 р. в Physical Review Letters, в м'якому рентгенівському діапазоні довжин хвиль при густині потужності на рівні декількох петаватт (10¹⁵ Вт) на квадратний сантиметр загальноприйнята теоретична модель фотоефекту може виявитися невірною. Відповідно до законів традиційного фотоефекту фотон, що володіє достатньо високою енергією, «вибиває» з атома один електрон із зовнішньої орбіти. Процес цей, як відомо, демонструє і підтверджує квантову природу світла. Відомо також, що при дуже високих інтенсивностях короткоімпульсного (фемтосекунди) довгохвильового випромінювання може відбуватися багатофотонна іонізація.

П орівняльні кількісні дослідження різних матеріалів в Гамбурзі показали, що глибина взаємодії між випромінюванням і речовиною істотно залежить від структури атомів цієї речовини і кореляції між внутрішніми електронними оболонками. У випадку з ксеноном, який використовувався в експериментах, дія пакету фотонів в короткому імпульсі приводить, до одночасної емісії безлічі електронів з внутрішніх оболонок.

Рис.1.4. Фотоіонізація ксенону: а) класичний фотоефект на зовнішніх рівнях при низькій інтенсивності фотонів; b) іонізація могутнім довгохвильовим випромінюванням; с) іонізація короткохвильовим рентгенівським випромінюванням високої інтенсивності.