Fotoelektrický efekt

Fotoelektrický jev nebo fotoelektrický jev je jev interakce světla nebo jakéhokoli jiného elektromagnetického záření s látkou, při kterém se energie fotonu přenáší na elektrony látky. V kondenzovaných (pevných a kapalných) látkách se rozlišuje vnější (absorpce fotonů je doprovázena emisí elektronů mimo látku) a vnitřní (elektrony, které zůstávají v látce a mění v ní svůj energetický stav) fotoelektrický jev. Fotoelektrický jev v plynech spočívá v ionizaci atomů nebo molekul působením záření [1] .

Externí fotoelektrický jev

Vnější fotoelektrický jev ( fotoelektronická emise ) je emise elektronů látkou při působení elektromagnetického záření. Elektrony unikající z hmoty při vnějším fotoelektrickém jevu se nazývají fotoelektrony a jimi vytvořený elektrický proud při uspořádaném pohybu ve vnějším elektrickém poli se nazývá fotoproud .

Fotokatoda  - elektroda vakuového elektronického zařízení, která je přímo vystavena elektromagnetickému záření a působením tohoto záření emituje elektrony.

Saturační fotoproud  je maximální proud vyvržených elektronů, proud mezi fotokatodou a anodou, při kterém se všechny vyvržené elektrony shromažďují na anodě.

Spektrální charakteristikou fotokatody  je závislost spektrální citlivosti na frekvenci nebo vlnové délce elektromagnetického záření.

Historie objevů

Vnější fotoelektrický jev objevil v roce 1887 Heinrich Hertz [2] [3] [4] . Při práci s otevřeným rezonátorem si všiml, že pokud posvítíte ultrafialovým světlem na zinková jiskřiště , pak se průchod jiskry znatelně usnadní.

V letech 1888-1890 se fotoelektrickým jevem systematicky zabýval ruský fyzik Alexander Stoletov [5] , který publikoval 6 prací [6] [7] [8] [9] [10] [11] . V této oblasti učinil několik důležitých objevů, včetně prvního zákona o vnějším fotoelektrickém jevu [12] .

Stoletov také došel k závěru, že „paprsky nejvyššího lomu, které ve slunečním spektru chybí, mají výbojový účinek, ne-li výlučně, pak s obrovskou převahou nad ostatními paprsky“, to znamená, že se přiblížil závěru, že červená existuje hranice fotoelektrického jevu . V roce 1891 Elster a Geitel při studiu alkalických kovů došli k závěru, že čím vyšší je elektropozitivita kovu, tím nižší je mezní frekvence, při které se stává fotosenzitivním [13] .

Thomson v roce 1898 experimentálně zjistil, že tok elektrického náboje vycházejícího z kovu během vnějšího fotoelektrického jevu je tok částic, které objevil dříve (později nazývané elektrony). Zvýšení fotoproudu s rostoucím osvětlením je proto třeba chápat jako zvýšení počtu vyvržených elektronů s rostoucím osvětlením.

Studie fotoelektrického jevu Philipa Lenarda v letech 1900-1902 ukázaly, že na rozdíl od klasické elektrodynamiky je energie emitovaného elektronu vždy striktně vázána na frekvenci dopadajícího záření a prakticky nezávisí na intenzitě ozáření .

Fotoelektrický jev vysvětlil v roce 1905 Albert Einstein (za což dostal v roce 1921 Nobelovu cenu díky nominaci švédského fyzika Carla Wilhelma Oseena ) na základě hypotézy Maxe Plancka o kvantové povaze světla. Einsteinova práce obsahovala důležitou novou hypotézu - jestliže Planck v roce 1900 navrhl, že světlo je vyzařováno pouze v kvantovaných částech, pak Einstein již věřil, že světlo existuje pouze ve formě kvantovaných částí ( fotonů ) s energií h ν každého, kde h  je Planck ' s konstantní .

V letech 1906-1915 zpracoval fotoelektrický jev Robert Milliken . Byl schopen stanovit přesnou závislost blokovacího napětí na frekvenci (která se ve skutečnosti ukázala jako lineární) az toho byl schopen vypočítat Planckovu konstantu. „Strávil jsem deset let svého života ověřováním této Einsteinovské rovnice z roku 1905,“ napsal Millikan, „a navzdory všem mým očekáváním jsem byl v roce 1915 nucen bezvýhradně přiznat, že byla experimentálně potvrzena, navzdory její absurditě, protože se zdálo, že odporuje všemu, co víme o interferenci světla.“ V roce 1923 byla Millikanovi udělena Nobelova cena za fyziku „za práci o elementárním elektrickém náboji a fotoelektrickém jevu“.

Výzkum fotoelektrického jevu byl jednou z prvních kvantově mechanických studií.

Zákony vnějšího fotoelektrického jevu

Zákony vnějšího fotoelektrického jevu :

1. zákon fotoelektrického jevu (Stoletovův zákon) : Síla saturačního fotoproudu je přímo úměrná intenzitě světelného záření [14] . Při konstantním spektrálním složení elektromagnetického záření dopadajícího na fotokatodu je saturační fotoproud úměrný energetickému osvětlení katody (jinými slovy, počet fotoelektronů vyřazených z katody za jednotku času je přímo úměrný intenzitě záření). ).

2. zákon fotoelektrického jevu : Maximální kinetická energie elektronů vyražených světlem roste s frekvencí světla a nezávisí na jeho intenzitě [14] .

3. zákon fotoelektrického jevu : Pro každou látku v určitém stavu jejího povrchu existuje limitní frekvence světla, pod kterou není fotoelektrický jev pozorován. Tato frekvence a jí odpovídající vlnová délka se nazývá červený okraj fotoelektrického jevu [14] .

Vnější fotoelektrický jev je prakticky bez setrvačnosti . Fotoproud okamžitě vzniká při osvětlení povrchu tělesa za předpokladu, že může existovat fotoelektrický jev [14] .

Fotoelektrickým jevem se část dopadajícího elektromagnetického záření odráží od povrchu kovu a část proniká do povrchové vrstvy kovu, polovodiče nebo dielektrika a tam je absorbována. Pohlcováním fotonu z něj elektron přijímá energii. Podle teorie z roku 1905 ze zákona zachování energie, kdy je světlo reprezentováno ve formě částic ( fotonů ), vyplývá Einsteinův vzorec pro fotoelektrický jev:

kde  - tzv. pracovní funkce (minimální energie potřebná k odstranění elektronu z látky). A se v moderní vědecké literatuře nepoužívá k označení pracovní funkce ;  je maximální kinetická energie emitovaného elektronu;  je frekvence dopadajícího fotonu s energií  ; h  je Planckova konstanta .

Z tohoto vzorce vyplývá existence červené hranice fotoelektrického jevu při T = 0 K, tedy existence nejnižší frekvence ( ), pod kterou již energie fotonu nestačí „vyrazit“ elektron z kov. Jev se u většiny látek objevuje pouze v ultrafialovém záření, nicméně u některých kovů (lithium, draslík, sodík) stačí i viditelné světlo.

Napětí s obrácenou polaritou aplikované na elektrody snižuje fotoelektrický proud, protože elektrony musí vykonat další práci, aby překonaly elektrostatické síly. Minimální napětí, které zcela zastaví fotoproud, se nazývá zpomalovací nebo blokovací napětí . Maximální kinetická energie elektronů je vyjádřena jako zpomalovací napětí:

Fotoelektrický jev se dělí na povrchový , kdy fotoelektron vyletí z povrchové vrstvy atomů, a objemový , kdy fotoelektron vyletí z objemu pevného tělesa. Objemový fotoelektrický jev se uvažuje ve třech fázích:

v první fázi je elektron atomu excitován do excitovaného stavu, ve druhé fázi působením tažného elektrického pole dosáhne elektron povrchu, ve třetí fázi, pokud je energie elektronu dostatečná k překonání potenciální bariéru na povrchu, pak vyletí z pevné látky. Obecně lze napsat:

kde  je vazebná energie elektronu vzhledem k Fermiho hladině,  je ztráta energie elektronu na jeho cestě k povrchu, hlavně v důsledku rozptylu na krystalové mřížce,  je kinetická energie elektronu emitovaného do vakua.

Fowlerova teorie

Hlavní zákonitosti vnějšího fotoelektrického jevu pro kovy dobře popisuje Fowlerova teorie [15] [16] . Podle ní se po absorpci fotonu v kovu jeho energie přenese na vodivé elektrony, v důsledku čehož se elektronový plyn v kovu skládá ze směsi plynů s normálním Fermi-Diracovým rozdělením a excitovaným ( posunuto o ) distribuci energie.

Hustota fotoproudu je určena Fowlerovým vzorcem:

kde , ,  jsou nějaké konstantní koeficienty závislé na vlastnostech ozařovaného kovu. Vzorec platí při fotoemisních excitačních energiích nepřesahujících pracovní funkci kovu o více než několik elektronvoltů. Fowlerova teorie dává výsledky, které se shodují s experimentem pouze v případě světla dopadajícího kolmo k povrchu.


Kvantový výstup

Důležitou kvantitativní charakteristikou fotoelektrického jevu je kvantový výtěžek Y, počet emitovaných elektronů na foton dopadající na povrch tělesa. Hodnota Y je určena vlastnostmi látky, stavem jejího povrchu a energií fotonu.

Kvantový výtěžek fotoelektrického jevu z kovů ve viditelné a blízké UV oblasti je Y < 0,001 elektron/foton. To je způsobeno především malou hloubkou úniku fotoelektronu, která je mnohem menší než hloubka absorpce světla v kovu. Většina fotoelektronů rozptýlí svou energii předtím, než se přiblíží k povrchu a ztratí možnost uniknout do vakua. Při energiích fotonů blízkých prahu fotoelektrického efektu je většina fotoelektronů excitována pod úrovní vakua a nepřispívají k fotoemisnímu proudu. Kromě toho je koeficient odrazu ve viditelné a blízké UV oblasti velký a pouze malá část záření je absorbována v kovu. Tato omezení jsou částečně odstraněna ve vzdálené UV oblasti spektra, kde Y dosahuje 0,01 elektron/foton při fotonových energiích E > 10 eV.

Vektorový fotoelektrický jev

Vektorový fotoelektrický jev je závislost fotoproudu na směru polarizace dopadajícího světla, která je důsledkem projevu vlnových vlastností světla. Fotoproud se zvyšuje zvláště silně, když vektor intenzity elektrického pole leží v rovině dopadu (citlivost je mnohem větší a spektrální charakteristika má selektivní maximum) ve srovnání s kolmým k rovině dopadu (fotoproud monotónně roste se zvyšující se frekvencí). Vektorový fotoelektrický jev je vysvětlen fotoproudem elektronů umístěných v povrchové vrstvě kovu, kde působí elektrické pole dvojvrstvy a vytváří potenciálovou bariéru [17] [18] [19] .

Vnitřní fotoelektrický jev

Vnitřní fotoelektrický jev je jev zvýšení elektrické vodivosti a snížení odporu způsobeného ozářením [20] . Vysvětluje se redistribucí elektronů přes energetické stavy v pevných a kapalných polovodičích a dielektrikách , ke které dochází pod vlivem záření, projevuje se změnou koncentrace nosičů náboje v médiu a vede ke vzniku fotovodivosti nebo ventilu fotoelektrický jev [21] .

Fotovodivost je zvýšení elektrické vodivosti látky vlivem záření.

Historie objevů

V roce 1839 Alexander Becquerel pozoroval [22] fotovoltaický efekt v elektrolytu.

V roce 1873 Willoughby Smith objevil, že selen je fotovodivý [23] [24] .

Druh

Fotoelektrický jev ventilu

Hradlový fotoelektrický jev nebo fotoelektrický jev v bariérové ​​vrstvě  je jev, při kterém fotoelektrony opouštějí tělo a procházejí rozhraním do jiné pevné látky ( polovodič ) nebo kapaliny ( elektrolyt ).

Fotovoltaický efekt

Fotovoltaický efekt  - vznik elektromotorické síly pod vlivem elektromagnetického záření [25] . Slouží k měření intenzity dopadajícího světla (například ve fotodiodách ) nebo k výrobě elektřiny v solárních panelech .

Senzitizovaný fotoelektrický jev

Senzitizovaný fotoelektrický jev je fotoelektrický jev provázený jevem senzibilizace , tj. změnou velikosti a spektra fotosenzitivity u širokorozpěrných fotovodičů organické a anorganické povahy v závislosti na struktuře molekulárních sloučenin [26] .

Fotopiezoelektrický jev

Fotopiezoelektrický jev je jev vzniku fotoelektromotorické síly v polovodiči za podmínek vnější nerovnoměrné komprese polovodiče [27] .

Fotomagnetický efekt

Fotomagnetický efekt je vznik elektromotorické síly v osvětleném homogenním polovodiči v magnetickém poli [27] .

Jaderný fotoelektrický jev

Když je gama záření absorbováno , dostává jádro přebytek energie, aniž by se změnilo jeho nukleonové složení, a jádro s přebytkem energie je složené jádro . Stejně jako jiné jaderné reakce je absorpce záření gama jádrem možná pouze tehdy, jsou-li splněny potřebné poměry energie a rotace . Pokud energie přenesená do jádra převyšuje vazebnou energii nukleonu v jádře, pak k rozpadu vzniklého složeného jádra dochází nejčastěji s emisí nukleonů, především neutronů . Takový rozpad vede k jaderným reakcím a , které se nazývají fotonukleární , a fenoménem emise nukleonů (neutronů a protonů ) při těchto reakcích je jaderný fotoelektrický jev [28] .

Multifotonový fotoelektrický efekt

V silném elektromagnetickém poli může několik fotonů interagovat s elektronovým obalem atomu v elementárním aktu fotoelektrického jevu . V tomto případě je ionizace atomu možná pomocí záření s energií fotonu . Byla registrována šesti- a sedmifotonová ionizace inertních plynů [29] .

Současný výzkum

Jak ukázaly experimenty německého národního metrologického institutu Physikalisch-Technische Bundesanstalt , jejichž výsledky byly publikovány 24. dubna 2009 v Physical Review Letters [30] , v rozsahu vlnových délek měkkého rentgenového záření při hustotě výkonu několik peta wattů (10 15 W) na centimetr čtvereční se obecně přijímaný teoretický model fotoelektrického jevu může ukázat jako nesprávný.

Srovnávací kvantitativní studie různých materiálů ukázaly, že hloubka interakce mezi zářením a hmotou v podstatě závisí na struktuře atomů této látky a na korelaci mezi vnitřními elektronovými obaly. V případě xenonu , který byl použit v experimentech, dopad fotonového paketu v krátkém pulzu zřejmě vede k současné emisi mnoha elektronů z vnitřních obalů [31] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. , Lebedev A. K. Příručka fyziky pro inženýry a studenty vysokých škol. - M., Onyx, 2007. - Náklad 5100 výtisků. - ISBN 978-5-488-01248-6 . - S. 725
  2. ↑ http://www.britannica.com/science/photoelectric-effect Archivováno 10. ledna 2016 na Wayback Machine "Fotoelektrický jev objevil v roce 1887 německý fyzik Heinrich Rudolf Hertz."
  3. ↑ H. Hertz (1887), Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung Archivováno 24. ledna 2016 ve Wayback Machine (Účinek ultrafialového světla na elektrický výboj) / Ann. Phys. 267: 983-1000. doi: 10.1002/andp.18872670827  (německy)
  4. ↑ Stig Lundqvist, Physics, 1901-1921 Archived 4. února 2016 na Wayback Machine // World Scientific, 1998, ISBN 9789810234010 , s.121 
  5. ↑ TSB, FOTOEFEKT
  6. ↑ Stoletow, A. Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultrafialové  (francouzsky)  // Comptes Rendus :časopis. - 1888. - Sv. VI . — S. 1149 . (Přetištěno v Stoletow, MA O druhu elektrického proudu produkovaného ultrafialovými paprsky  (anglicky)  // Philosophical Magazine Series 5: journal. - 1888. - Vol. 26 , č. 160. - S. 317. - doi : 10.1080/14786448808628270 ; abstrakt v Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  7. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-electriques au travers deTair  (francouzsky)  // Comptes Rendus :časopis. - 1888. - Sv. VI . - S. 1593 . (Abstrakt v Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  8. ↑ Stoletow, A. Suite des recherches actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1888. - T. VII . - S. 91 . (Abstrakt v Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  9. ↑ Stoletow, A. Sur les phénomènes actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1889. - T. CVIII . - S. 1241 .
  10. ↑ Stoletov, A. Aktinoelektrický výzkum  (ruština)  // Časopis Ruské fyzikální a chemické společnosti. - 1889. - T. 21 . - S. 159 .
  11. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié  (francouzsky)  // Journal de Physique  : časopis. - 1890. - Sv. 9 . - str. 468 . - doi : 10.1051/jphystap:018900090046800 .
  12. ↑ TSB, STOLETOV ALEXANDER GRIGORYEVICH
  13. ↑ Dukov V. M.  Historické přehledy v kurzu středoškolské fyziky. M.: Prosveshchenie 1983. 160 s.
  14. ↑ 1 2 3 4 Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Svazek 2. - M., Nauka , 1974. - Náklad 169 000 výtisků. - S. 197
  15. ↑ Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V. Emisní elektronika . - M . : Nauka, 1966. - S. 564.  (nepřístupný odkaz)
  16. ↑ Fowler, 1931 , pp. 45-56.
  17. ↑ Voronchev T. A., Sobolev V. D. Fyzikální základy elektrovakuové technologie. - M .: Vyšší škola, 1967. - str. 217-220
  18. ↑ Lukirsky, 1933 .
  19. ↑ Lukyanov, 1948 .
  20. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Svazek 2. - M .: Nauka , 1974. - Náklad 169 000 výtisků. - S. 336
  21. ↑ Kireev P. S. Fyzika polovodičů. - M .: Vyšší škola , 1975. - Náklad 30 000 výtisků. - S. 537-546
  22. ↑ A. E. Becquerel (1839). "Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires". Comptes Rendus 9: 561-567
  23. ↑ Smith, W. (1873). „Vliv světla na selen během průchodu elektrického proudu“. Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0
  24. ↑ TSB, FOTOVODIVOST
  25. ↑ Fotovoltaický efekt – článek z Velké sovětské encyklopedie . 
  26. ↑ Akimov I. A., Cherkasov Yu. A., Cherkashin M. I. Sensitized photoelectric effect. - M .: Nauka, 1980. - S. 384.
  27. ↑ 1 2 Tauc Ya. Foto- a termoelektrické jevy v polovodičích. - M. : IL, 1962. - S. 141.
  28. ↑ Klimov A.N. Jaderná fyzika a jaderné reaktory. - M .: Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
  29. ↑ Kvantová elektronika. Malá encyklopedie. - M .: Sovětská encyklopedie, 1969. - S. 431.
  30. ↑ Phys. Rev. Lett. 102, 163002 (2009): Extrémní ultrafialový laser podněcuje atomovou obří rezonanci
  31. ↑ Objevená omezení klasického fotoelektrického jevu pro rentgenové záření | Nanotechnologie Nanonewsnet . Získáno 27. dubna 2009. Archivováno z originálu 28. dubna 2009.

Odkazy

Literatura

  • Lukirsky P. I. O fotoelektrickém jevu. — L.; M.: Stát. tech.-teor. nakladatelství, 1933. - 94 s.
  • Lukyanov S. Yu. Fotobuňky. - Moskva; Leningrad :: Nakladatelství a 2. typ. Nakladatelství Akad. vědy SSSR, 1948. - 372 s.
  • Ryvkin SM Fotoelektrické jevy v polovodičích. - M. : Fizmatlit, 1963. - 494 s.
  • Fowler RH Analýza křivek fotoelektrické citlivosti pro čisté kovy při různých teplotách // Phys. Rev. - 1931. - Sv. 38.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích