К.А.Дергобузов

Фотоэффект

Конспект лекции с демонстрациями

Наши задачи: изучить характерные свойства явления в ходе виртуального эксперимента; убедиться, что классическая физика не пригодна для их описания; объяснить закономерности фотоэффекта с позиций квантовой теории.

Содержание

Открытие фотоэффекта началось с наблюдения Г.Герца (1887г.): Г.ГерцА.Г.Столетовэлектрический пробой воздуха происходит при меньшем напряжении, если освещать шары разрядника ультрафиолетовым излучением. В дальнейшем выяснилось, что причина этого – вырывание электронов под действием падающего света. Это явление назвали фотоэффектом. А.Г.Столетов подверг фотоэффект систематическому экспериментальному иследованию и установил ряд закономерностей этого явления (выдержки из статьи). Оказалось, что явление основано на удалении отрицательного электричества с поверхности металла под действием ультрафиолетового света. В его мночисленных опытах, а также экспериментах Ф.Ленарда, О.Ричардсона, К.Комптона, Р.Милликена (фотография установки), А.Ф.Иоффе, П.И.Лукирского и С.С.Прилежаева исследованы все характерные свойства явления. Но объяснение этого эффекта трудно далось физикам.

Посмотрим, к каким выводам мы придем, какие закономерности предскажем, находясь в рамках классической физики (конец 19-го века – начало 20-го).

Электроны должны быть связаны в твердом теле, иначе сколь угодно малое электрическое поле приводило бы к их эмиссии. Поэтому для выхода электронов надо сообщить им дополнительную энергию, например, нагреванием тела (термоэмиссия). При фотоэффекте энергия приобретается за счет электромагнитного поля. Пусть E = E0cos(ωt) – напряженность электрического поля в электромагнитной волне. Тогда можно записать уравнение движения электрона в этом поле: md²x/dt² = eE0cos(ωt). Интегрирование дает для скорости электрона v ~ E0, а кинетическая энергия зависит от параметров падающей волны как Te ~ E022. Если эта энергия больше работы выхода из металла Te > eφ, электрон может покинуть образец. Сразу же напрашиваются по крайней мере три вывода о свойствах явления:

  1. Чем выше интенсивность световой волны E02, тем больше энергия электронов Te.
  2. Вырывание электронов носит пороговый характер. Условие Te > eφ не может быть выполнено при малых E02.
  3. При постоянной интенсивности увеличение частоты падающей волны ω снижает энергию выбиваемых электронов Te.

Посмотрим, что покажет опыт.

Установка для наблюдения

В нашем распоряжении есть установка для изучения фотоэффекта.Установка Внутри откачанной трубки расположены две пластины, присоединенные к источнику напряжения, и в ту же цепь включен прибор для измерения тока. Одна из пластин освещается светом. Длину волны света можно менять в широком диапазоне: от невидимого ультрафиолетового (на старте λ=100 нм) до инфракрасного. Величина светового потока регулируется диафрагмой. Электроны, испускаемые под действием света, можно подвегнуть действию либо задерживающего (U<0) либо ускоряющего (U>0) электрического поля. (О применении задерживающего потенциала для измерения энергии электронов смотри подробнее в лекции). Вольтметр позволяет следить за разностью потенциалов между электродами. На графиках справа отражаются значения измеряемого тока I, разности потенциалов U и величина светового потока Φ. Графики в любой момент, например, приступая к новому опыту, можно очистить. Включение реостата позволяет не только регулировать разность потенциалов между электродами, но и менять ее полярность.

Сейчас приступим к экспериментам. После нажатие кнопки "Начнем" Вы увидите мои комментарии к происходящему на экране (черный цвет) и описание действий компьютера после нажатия Вами кнопки "далее" (коричневый цвет). Когда компьютер "занят" (т.е. идет опыт) эта кнопка не активна. Переходите к следующему кадру, лишь осмыслив результат, полученный в текущем опыте. (Если Ваше восприятие не совпадает с моими комментариями, напишите мне!)

Начнем!>

Подведем итоги экспериментов:

Объяснение свойств фотоэффекта с позиций квантовой физики принадлежит Альберту Эйнштейну: свет поглощается порциями (квантами), имеющими энергию и получившими название фотон.

По закону сохранения энергия кванта равна сумме энергии, необходимой для вырывания из металла и называемой работой выхода A0, и энергии, сообщаемой электрону Tкин:

А.Эйнштейн
Голос А.Эйнштейна

hν = Tкин + A0

или

hν = mv2/2 + A0,

где m – масса электрона, v – его скорость.

Электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно (ускоряясь электрическим полем волны), а сразу – в результате единичного акта взаимодействия.

В монохроматическом пучке все фотоны имеют одинаковую энергию . Увеличение интенсивности светового пучка означает увеличение числа фотонов в пучке, но не сказывается на их энергии, если частота остается неизменной.

В решении Комитета о присуждении Нобелевской премии А.Эйнштейну в 1921 году записано:

1921

ALBERT EINSTEIN for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect.

("за его вклад в теоретическую физику и, особенно, за его открытие закона фотоэффекта").

Зависимость задерживающего напряжения от частоты излучения, как мы видели, имеет вид прямой линии, наклон которой определяется значением постоянной Планка. Измерив этот наклон экспериментально для натрия, магния, меди и алюминия, Р.Милликен в 1914 г. с хорошей точностью вычислил значение постоянной Планка (см.график). Нобелевская премия присуждена Милликену в 1923г.:

1923

ROBERT ANDREWS MILLIKAN for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect.

("за его работы по элементарному электрическому заряду и фотоэлектрическому эффекту").

Таким образом фотонная теория добавляет новые свойства к обычным свойствам света (дифракции и поляризации). Она не требует отказа от старого представления о свете; она требует лишь сочетания концепции фотонов с концепцией электромагнитных волн.

Существует и немало других экспериментов (комптоновское рассеяние и др.), которые также показывают согласие фотонной теории с опытом.

Исследованное Вами явление вырывания светом электронов с поверхности металла названо внешним фотоэффектом. Но, как оказалось, фотон может передать свою энергию отдельному электрону атомной оболочки или нуклону ядра атома. Такое явление названо внутренним фотоэффектом. Необходимые условия: частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).

С помощью законов сохранения энергии и импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободной частицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллической решетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла.

Солнечные батареи на Международной космической станцииФотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография справа). Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.

Самостоятельно исследуйте (для различных материалов освещаемого электрода):

Проделайте необходимые измерения и определите работу выхода для материала, из которого изготовлен катод, оцените значение постоянной Планка.

Если Вы хотите проверить, как усвоен материал лекции, попробуйте решить несколько простых задач по теме..

Если возникли какие вопросы, пишите.