Фотаэфект

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
Квантавая механіка

Прынцып нявызначанасці Гейзенберга
Уводзіны
Матэматычныя асновы
Гл. таксама «Фізічны партал»

Фотаэфект[1] — гэта выпусканне электронаў рэчывам пад дзеяннем святла (і, наогул кажучы, любога электрамагнітнага выпраменьвання). У кандэнсаваных рэчывах (цвёрдых і вадкіх) вылучаюць вонкавы і ўнутраны фотаэфект. Пры вонкавым фотаэфекце электроны вызваляюцца светам з павярхоўнага пласта рэчыва і пераходзяць у іншае асяроддзе, часцей за ўсё ў вакуум. Пры ўнутрнаным фотаэфекте аптычна ўзбуджаныя эелектроны застаюцца ўнутры асвячаемага цела, не парушая электрычную нейтральнасць апошняга. Для абгрунтавання гіпотэзы фатонаў асноўнае значэнне мае з'ява вонкавага фотаэфекту.

Законы фотаэфекту:

Першы закон фотаэфекту: сіла фотатоку прама прапарцыйная шчыльнасці светлавога патоку.

Другі закон фотаэфекту: максімальная кінетычная энергія электронаў, што выбіваюцца святлом, лінейна ўзрастае з частатой святла і не залежыць ад яго інтэнсіўнасці.

Трэці закон фотаэфекту: для кожнага рэчыва існуе чырвоная мяжа фотаэфекту, г.зн. найменшая частата святла (або найбольшая даўжыня хвалі λ0 ), пры якой фотаэфект яшчэ магчымы, і калі то фотаэфект ужо не адбываецца.

Тэарэтычнае тлумачэнне гэтых законаў даў у 1905 г. А. Эйнштэйн. Паводле Эйнштэйна, электрамагнітнае выпраменьванне ўяўляе сабой паток асобных квантаў (фатонаў) з энергіяй h ν кожны, дзе hпастаянная Планка. Пры фотаэфекце частка электрамагнітнага выпраменьвання ад паверхні металу адбіваецца, а частка пранікае ўнутр паверхневага пласта металу і там паглынаецца. Паглынуўшы фатон, электрон атрымлівае ад яго энергію і, здзяйсняючы работу выхаду φ, пакідае метал:

дзе — максімальная кінетычная энергія, якую мае электрон пры вылеце з металу.

Гісторыя адкрыцця[правіць | правіць зыходнік]

У 1839 годзе Аляксандр Бекерэль назіраў з'яву фотаэфекту ў электраліце.

У 1873 годзе Уілаўбі Сміт выявіў, што селен з'яўляецца фотаправадніком. Вонкавы фотаэфект адкрыў ў 1887 годзе Генрых Герц. Пры працы з адкрытым рэзанатарам ён заўважыў, што калі пасвяціць ультрафіялетам на цынкавы разраднік, то праходжанне іскры прыкметна палягчаецца.

Даследаванні фотаэфекту паказалі, што насуперак класічнай электрадынаміцы энергія вылятаючага электрона заўсёды строга звязана з частатой падаючага выпраменьвання і практычна не залежыць ад інтэнсіўнасці апрамянення.

У 1888—1890 гадах фотаэфект сістэматычна вывучаў рускі фізік Аляксандр Сталетаў, які апублікаваў 6 прац. Ён зрабіў некалькі важных адкрыццяў у гэтай галіне, у тым ліку вывеў першы закон вонкавага фотаэфекту. Яшчэ Сталетаў прыйшоў да высновы, што «разраджаючым дзеяннем валодаюць, калі не вылучна, то з велічэзнай перавагай перад іншымі промнямі, промні самай высокай пераломлівасці, што адсутнічаюць у сонечным спектры», гэта значыць што ён ушчыльную падышоў да высновы пра існаванне чырвонай мяжы фотаэфекту.

У 1891 годзе Эльстар і Гейтэль пры вывучэнні шчолачных металаў дашлі да высновы, што, чым вышэй электрастаноўчасць металу, тым ніжэй межавая частата, пры якой ён робіцца фотаадчувальным. Томсан у 1898 годзе эксперыментальна ўсталяваў, што струмень электрычнага зарада, што выходзіць з металу пры вонкавым фотаэфекце, уяўляе сабой струмень адкрытых ім раней часціц (пазней названых электронамі). Таму павялічэнне фотатоку з узростам асветленасці патрэбна разумець як павялічэнне ліку выбітых электронаў з узростам асветленасці.[2]

Схема эксперыменту па даследаванню фотаэфекту. Са святла вядзяляецца вузкі дыяпазон частот і накіроўваецца на катод унутры вакуумнага прыбора. Напружанне паміж катодам і анодам утварае энергетычны парог паміж імі. Наяўнасць току сведчыць аб тым, што электроны дасягнулі анода.

Фотаэфект быў растлумачаны ў 1905 годзе Альбертам Эйнштэйнам (за што ў 1921 годзе, праз намінацыю шведскім фізікам Карлам Вільгельмам Азеенам, атрымаў Нобелеўскую прэмію) на аснове гіпотэзы Макса Планка пра квантавую прыроду святла. У працы Эйнштэйна змяшчалася важная новая гіпотэза — калі Планк у 1900 годзе выказаў здагадку, што святло выпраменьваецца толькі квантаванымі порцыямі, то Эйнштэйн ужо лічыў, што святло і існуе толькі ў выглядзе квантаваных порцый. З закона захавання энергіі, калі лічыць святло патокам часціц (фатонаў), вынікае формула Эйнштэйна для фотаэфекту:

дзе φ — т.зв. работа выхаду (мінімальная энергія, неабходная для выдалення электрона з рэчыва), — максімальная кінетычная энергія электрона, — частата падаючага фатона з энергіяй h ν.

Вонкавы фотаэфект[правіць | правіць зыходнік]

Вонкавы фотаэфект

Вонкавым фотаэфектам (фотаэлектроннай эмісіяй) называецца выпусканне электронаў рэчывам пад дзеяннем электрамагнітных выпраменьванняў. Электроны, якія вылятаюць з рэчыва пры вонкавым фотаэфекце, называюцца фотаэлектронамі, а электрычны ток, які ўзнікае пры іх упарадкаваным руху ў вонкавым электрычным полі, называецца фотатокам.

Фотакатод — электрод вакуумнага электроннага прыбора, які непасрэдна падвяргаецца ўздзеянню электрамагнітных выпраменьванняў, і адкуль выбіваюцца электроны пад дзеяннем гэтага выпраменьвання.

Залежнасць спектральнай адчувальнасці ад частаты або даўжыні хвалі электрамагнітнага выпраменьвання называюць спектральнай характарыстыкай фотакатода.

Квантавы выхад[правіць | правіць зыходнік]

Важнай колькаснай характарыстыкай фотаэфекту з'яўляецца квантавы выхад Y — колькасць эмітаваных электронаў у разліку на адзін фатон, які падае на паверхню цела. Велічыня Y вызначаецца ўласцівасцямі рэчыва, станам яго паверхні і энергіяй фатонаў. Квантавы выхад фотаэфекту з металаў у бачнай і бліжняй УФ-абласцях Y <0,001 электрон / фатон. Гэта звязана перш за ўсё з малою глыбінёй выхаду фотаэлектронаў, якая значна меншая за глыбіню паглынання святла ў метале. Большасць фотаэлектронаў рассейвае сваю энергію да падыходу да паверхні і губляе магчымасць выйсці ў вакуум. Пры энергіі фатонаў каля парога фотаэфекту большасць фотаэлектронаў узбуджаецца ніжэй за ўзровень вакууму і не дае ўкладу ў фотаэмісійны ток. Акрамя таго, каэфіцыент адбівання ў бачнай і бліжняй УФ-абласцях вялікі і толькі малая частка выпраменьвання паглынаецца ў метале. Гэтыя абмежаванні часткова здымаюцца ў дальняй УФ-вобласці спектру, дзе Y дасягае велічыні 0,01 электрон / фатон пры энергіі фатонаў E > 10 эв.

Прасцейшая схема для выяўлення фотаэфекту[правіць | правіць зыходнік]

Малюнак 1. Схема для вывучэння знешняга фотоэфекта

Вонкавы фотаэфект даследуюць на ўстаноўцы, прадстаўленай на мал. 1.[3] Два электрода (анод і катод) змешчаны ў вакууміраваны балон. Ад вонкавай крыніцы святла асвятляюць катод, выраблены з доследнага матэрыялу. Паміж анодам і катодам прыкладваюць рознасць патэнцыялаў (плюс на анодзе). Электроны, эмітуемых у вакуум з паверхні катода ў прычыны фотаэфекту, перамяшчаюцца ў вакууме пад дзеяннем электрычнага поля да анода. Ток у ланцугу вымяраюць амперметрам. Залежнасць фототока Іф ад напружання паміж электродамі U (вольт-ампернай характарыстыка), якая адпавядае розным значэнняў інтэнсіўнасці I запаленага святла, прыведзена на мал. 2.[3]

Малюнак 2. Залежнасць фототока ад напружання

Характарыстыка здымаецца пры нязменнай частаце святла ν. Відаць, што з павелічэннем U фотаток узрастае і пры пэўным напружанні дасягае насычэння. Спадзісты ход крывых паказвае на тое, што электроны вылятаюць з катода з рознымі хуткасцямі. Максімальнае значэнне току Іфн (фотаток насычэння) вызначаецца такім значэннем U, пры якім усе электроны, выпусканых катодам, дасягаюць анода:

дзе е − зарад электрона, n − лік электронаў, выпусканых катодам у адзінку часу.

З ВАХ вынікае, што пры U=0 фотаток не знікае. Такім чынам, электроны, выбітыя святлом з катода, валодаюць некаторай пачатковай хуткасцю V, а значыць, і выдатнай ад нуля кінетычнай энергіяй. Частка электронаў дасягае анода і без прыкладання знешняга электрычнага поля. Для таго каб фотаток прыняў нулявое значэнне, паміж анодам і катодам неабходна прыкласці затрымліваюшчага напружанне Uз (адмоўнае). Пры такім напружанні нават электронам, якія валодаюць пры вылеце з катода найбольшым значэннем хуткасці Vm, не ўдаецца дасягнуць анода. Такім чынам, можам запісаць, што:

дзе m − маса электрона, Vm − максімальная хуткасць электрона.

Зноскі

  1. Бутиков Е.И. Оптика. -- М.: Высшая школа, 1986. -- С. 456−466.
  2. Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика // Общий курс физики — Часть 1
  3. 3,0 3,1 Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М.: Высшая школа, 1978. С. 360−371.

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

  • Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика // Общий курс физики Т. 1.

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]