×
БЕСПЛАТНАЯ КОНСУЛЬТАЦИЯ ЮРИСТА
Главная - Другое - Что такое фотоэффект

Что такое фотоэффект

Что такое фотоэффект

Фотоэффекты


В современном мире множество приборов и устройств используют явление, которое называется фотоэффектом. В первую очередь фотоэффект находит применение в фото и видео. Кратко познакомимся с сутью этого явления, приведем формулу фотоэффекта.

Во второй половине XIX в. Г. Герц исследовал условия возникновения электрического пробоя промежутка между электродами.

Было обнаружено, что пробой (возникновение искры) сильно облегчается, если освещать электроды ультрафиолетовым излучением. Это явление было названо фотоэффектом.

Г. Герц опубликовал результаты своих наблюдений, однако никакого объяснения им он не дал. Первым исследователем, тщательно изучившим фотоэффект, был А.

Столетов. Он же разработал первую теоретическую модель фотоэффекта. Схема опыта А. Столетова следующая.

Используется запаянная колба с вакуумом, в которую введены два электрода. К электродам подключено внешнее напряжение, катод может освещаться через специальное кварцевое окно (обычное стекло задерживает ультрафиолетовые лучи). Для определения тока в цепи используется амперметр.

Рис. 1. Опыт Столетова: фотоэффект. Если катод затемнен, ток в цепи не идет. Освещение катода приводит к появлению тока, даже если напряжение между электродами равно нулю.

При увеличении этого напряжения ток сперва растет, а потом достигает насыщения и далее остается постоянным. При подаче обратного напряжения ток начинает уменьшаться, пока не уменьшится до нуля. На основе наблюдений А. Столетов вывел закон фотоэффекта: сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения.

Рис. 2. График фототока от напряжения. С открытием электрона стало ясно, что фотоэффект — это выбивание электронов из вещества.

Причем фотоэффект может быть внешним — когда электроны покидают вещество, — а может быть внутренним — когда электроны остаются внутри вещества, лишь меняют свое энергетическое состояние.

Кроме того, было открыто важное свойство фотоэффекта: кинетическая энергия выбитых электронов не зависела от интенсивности облучения.

Но она зависела от его частоты. И при некоторой частоте фотоэффект вообще исчезал.

Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта». Попытки объяснения фотоэффекта на основе теории Максвелла терпели неудачу. Непрерывная электромагнитная волна должна была увеличивать кинетическую энергию при увеличении интенсивности. Объяснить фотоэффект удалось А. Эйнштейну в 1905 г. Для этого он использовал идею М.
Эйнштейну в 1905 г. Для этого он использовал идею М. Планка о том, что, несмотря на волновую природу света, он испускается и поглощается только порциями — квантами.

И энергия кванта пропорциональна частоте (коэффициент пропорциональности $h$ был назван «постоянной Планка»): $$E=h\nu$$ При выбивании электрона из вещества эта энергия будет затрачена на разрыв связей электрона с веществом (совершается работа выхода $A$, своя для каждого вещества), а оставшаяся энергия будет кинетической энергией электрона: $$h\nu=A_{вых}+{m_ev^2\over 2}$$ Эта формула фотоэффекта объясняет все особенности этого явления. Увеличение интенсивности света увеличивает число квантов, выбивающих электроны, то есть она пропорциональна числу выбитых электронов.

А кинетическая энергия выбитых электронов зависит только от частоты кванта (поскольку работа выхода остается одинаковой). Кроме того, эта же формула объясняет красную границу фотоэффекта: если частота излучения слишком низка и энергия кванта оказывается меньше работы выхода, фотоэффект исчезает.

Рис. 3. Применение фотоэффекта. Из курса физики 11 класса известно, что электроны могут покидать атомы вещества под действием излучения. Это явление названо фотоэффектом.

Если электроны покидают вещество, то говорят о внешнем фотоэффекте.

Если электроны остаются в веществе, лишь меняя свой энергетический уровень, — это внутренний фотоэффект.

Теория фотоэффекта была разработана А. Эйнштейном.

  • М. Планком
  • Г. Герцем
  • П. Кюри
  • А. Эйнштейном
  • Вопрос 1 из 10
    • Г. Герцем
    • А. Эйнштейном
    • М. Планком
    • П. Кюри

(новая вкладка) А какая ваша оценка?

Новые тестыБудь в числе первых на доске почета

  1. История России
  2. Русский язык
  3. Чтение
  4. Геометрия
  5. История
  6. Математика
  7. География
  8. Все
  9. Английский язык
  10. Биология
  11. Химия
  12. Обществознание
  13. Литература
  14. Окружающий мир
  15. Физика
  16. Алгебра
  17. Информатика

Фотоэффект. Фотоны

Как работает сервис Содержание В 1887 году Г. Герцем был открыт фотоэлектрический эффект, а продолжить его исследования довелось А.Г.

Столетову. Ф. Леонард в 1900 году серьезно занялся данным проектом.

К тому времени был открыт электрон.

Это говорило о том, что фотоэффект состоял в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Данное исследование законов Столетова изображено на рисунке 5.2.1.

Рисунок 5.2.1. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта. В лабораторных условиях применили стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами с очищенной поверхностью.

К ним прикладывали напряжение U с возможностью изменения полярности с помощью ключа. Катод освещали монохроматическим светом с длиной волны λ через кварцевое окошко.

Так как световой поток оставался неизменным, то зависимость силы тока I от напряжения ослабевала. Рисунок 5.2.2. наглядно демонстрирует кривые зависимости при интенсивном свете, попадающем на катод.

Рисунок 5.2.2. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока.

Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал. По графику видно, что при подаче большого напряжения фототок анода А достигает насыщения, потому как при вырывании светом из катода они в состоянии достичь его. Ток насыщения Iнпрямо пропорционален интенсивности падающего света.

При наличии отрицательного напряжения на аноде, электрическое поле, находящееся между катодом и анодом, тормозится электронами.

К аноду могут добраться электроны, у которых кинетическая энергия превышает значение |eU|. При наличии напряжения меньше, чем –Uз, происходит прекращение фототока.

После измерения –Uзопределяется максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов: mυ22max=eU3. Из формулы видно, что оно не зависит от интенсивности падающего света.

После глубоких исследований стало ясно, что при возрастании запирающего потенциала происходит линейное увеличение частоты света ν. Рисунок 5.2.3. Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.

После многочисленных экспериментов были установлены закономерности формул фотоэффекта:

  • При увеличении частоты света ν происходит возрастание кинетической энергии, независящей от ее интенсивности.
  • Количество фотоэлектронов за 1 с вырывания из катода прямо пропорционально интенсивности света.
  • Фотоэффект возникает после освещения катода с условием, что ν>νmin.
  • Наименьшей частотой νminс внешним фотоэффектом называют красную границу фотоэффекта каждого вещества.

Данные закономерности не соответствовали представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Исходя из волновых представлений, взаимодействие световой волны с электроном должно действовать по принципу постепенного накапливания энергии. Чтобы он смог вылететь из катода, необходимо иметь достаточное количество энергии, накапливаемой за определенный промежуток времени, не зависящий от интенсивности света.

Появление фотоэлектронов происходит сразу после освещения катода.

Данная модель не давала четкого представления нахождения красной границы фотоэффекта.

Волновая теория света не могла дать объяснение независимости энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональности максимальной кинетической энергии частоты света. Поэтому электромагнитная теория была не способна объяснить эти изменения. В 1905 году А. Эйнштейн дает теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта, основываясь на гипотезе М.

Планка. Излучение и поглощение света происходит определенными порциями, где она определяется формулой E=hν, h принято называть постоянной Планка. Основной шаг в развитии квантовых представлений относится к Эйнштейну: Свет обладает прерывистой структурой. Электромагнитная волна состоит из порций, называемых, кварками, спустя время которые зафиксировали как фотоны.

После взаимодействия с веществом фотон передает свою энергию hν одному электрону, одна часть которой рассеивается при столкновениях с атомами, а другая затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл-вакуум.

Для этого ему необходимо совершить работу выхода А, зависящую от свойств материала катода. Наибольшую кинетическую энергию, вылетевшую из катода фотоэлектроном, определяют законом сохранения энергии: mν22max=eUe=hν-A. Формула получила название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

Благодаря ему, закономерности внешнего явления фотоэффекта могут быть объяснены.

Линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта следуют из данного выражения. Общее количество фотоэлектронов, которые покидают поверхность катода в течение 1 с, пропорционально числу фотонов, падающих на поверхность. Можно сделать вывод, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Нужна помощь преподавателя? Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут! Описать задание По уравнению фотоэффекта Эйнштейна тангенс угла наклона прямой, выражающий зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν, равняется отношению постоянной Планка h к заряду электрона e: tg α=he.

Формула позволяет вычислить значение постоянной Планка. Р. Милликенн проводил измерения в 1914 году, после чего смог определить работу выхода А: A=hνmin=hcλкр, где c – скорость света, λкр– длина волны, которая соответствует красной границе фотоэффекта. Большинство металлов имеет работу выхода А и составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж).

Большинство металлов имеет работу выхода А и составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж). Квантовая физика использует электрон-вольт как энергетическую единицу измерения.

Тогда значение постоянной Планка равняется h=4,136·10-15 эВ·с.

Наименьшая работа выхода наблюдается у щелочных элементов. Натрий при A=1,9 эВ соответствует красной границе фотоэффекта λкр≈680 нм. Такие соединения применяют для создания катодов в фотоэлементах, используемых для регистрации видимого света.

Законы фотоэффекта говорят о том, что при пропускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц, называемых фотонами или световыми квантами. Энергия фотонов записывается в виде формулы E=hν.

При движении в вакууме фотон обладает скоростью с, а его масса m=0.

Общее соотношение теории относительности, связывающее энергию, импульс и массу любой частицы, записывается как E2=m2c4+p2c2. Отсюда следует, что фотон обладает импульсом, значит: p=Ec=hνc.

Можно сделать вывод, что учение о свете вернулось к представлениям о световых частицах – корпускулах. Но это не расценивается как возврат к корпускулярной теории Ньютона.

В XX было известно о двойственной природе света. Когда он распространялся, то проявлялись его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), при его взаимодействии с веществом – корпускулярные, то есть явление фотоэффекта. Это и получило название корпускулярно-волнового дуализма. Спустя время, данная теория была подтверждена у других элементарных частиц.

Спустя время, данная теория была подтверждена у других элементарных частиц.

Классическая физика не дает наглядную модель сочетаний волновых и корпускулярных свойств микрообъектов.

Их движениями управляют законы квантовой механики.

В основе этой науки лежит теория абсолютно черного тела, доказанная М. Планком, и квантовая, предложенная Эйнштейном. Рисунок 5.2.4. Модель фотоэффекта

Фотоэлектрический эффект

20 января 2021Для начала давайте поймем ключевые моменты в фотоэлектрическом эффекте.o При фотоэлектрическом эффекте электроны испускаются из вещества (обычно из металлов и неметаллических твердых частиц) вследствие поглощения ими энергии электромагнитного излучения высокой частоты (короткой длины волны), такого как ультрафиолетовый свет.o Когда электромагнитное излучение взаимодействует с атомом, оно либо возбуждает электроны до более высокого энергетического уровня, известного как возбужденное состояние, либо, если энергия света достаточно высока, оно может ионизировать атом, удаляя электрон.o Для любого металла существует определенная, минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектроны не испускаются.

Эта частота называется пороговой частотой.Условия возникновения этого эффекта· Рабочая функция Минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности материала.· напряжение остановки. Напряжение, необходимое для полного баланса кинетической энергии электронов, выбрасываемых с поверхности материала.При фотоэлектрическом эффекте электроны испускаются из вещества (металлов и неметаллических твердых частиц, жидкостей или газов) вследствие поглощения ими энергии электромагнитного излучения высокой частоты (короткой длины волны), такого как ультрафиолетовое излучение. Электроны, испускаемые таким образом, могут упоминаться как фотоэлектроны.

Впервые это явление наблюдал Генрих Герц в 1887 году.

был продемонстрирован с использованием света с энергией от нескольких электронвольт (эВ) до более 1 МэВ в элементах с высоким атомным номером. Изучение фотоэлектрического эффекта привело к лучшему пониманию квантовой механики, а также к пониманию двойственности света между волнами и частицами. Это также привело к открытию Максом Планком квантов (E = h [latex] \ nu [/ latex]), которые связывают частоту ([latex] \ nu [/ latex]) с энергией фотонов (E).Постоянная Планка, h, также известна как «квант действия».

Это константа субатомного масштаба и одна из самых маленьких констант, используемых в физике. Другие явления, где свет влияет на движение электрических зарядов, включают фотопроводящий эффект (также известный как фотопроводимость или фоторезистивность), фотоэлектрический эффект и фотоэлектрохимический эффект.Механизм эмиссииВсе атомы имеют свои электроны на орбитах с четко определенными уровнями энергии. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с атомом, оно может возбудить электрон до более высокого энергетического уровня, который затем может снова упасть, вернувшись в основное состояние.

Однако, если энергия света такова, что электрон возбуждается выше энергетических уровней, связанных с атомом, электрон может фактически освободиться от атома, что приведет к ионизации атома. Это, по сути, фотоэлектрический эффект.Фотоны пучка света имеют характерную энергию, пропорциональную частоте света. В процессе фотоэмиссии, если электрон в некотором материале поглощает энергию одного фотона и приобретает больше энергии, чем работа выхода материала (энергия связи электрона), он выбрасывается.

Если энергия фотона слишком мала, электрон не может покинуть материал.

Увеличение интенсивности света увеличивает количество фотонов в пучке света и, таким образом, увеличивает количество возбужденных электронов, но не увеличивает энергию, которой обладает каждый электрон.

Энергия испускаемых электронов не зависит от интенсивности входящего света (числа фотонов), только от энергии или частоты отдельных фотонов. Это строго взаимодействие между падающим фотоном и внешним электроном.Электроны могут поглощать энергию от фотонов при облучении, но они обычно следуют принципу «все или ничего». Как правило, один фотон либо достаточно энергичен, чтобы вызвать эмиссию электрона, либо энергия теряется, когда атом возвращается в основное состояние.

Рекомендуем прочесть:  1 2 г марехуанны

Если избыточная энергия фотона поглощается, часть энергии освобождает электрон от атома, а остальная часть вносит вклад в кинетическую энергию электрона в виде свободной частицы.Экспериментальные наблюдения фотоэмиссииДля данного металла существует определенная минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектроны не испускаются. Эта частота называется пороговой частотой.

Увеличение частоты падающего луча и сохранение фиксированного количества падающих фотонов (что приводит к пропорциональному увеличению энергии) увеличивает максимальную кинетическую энергию испускаемых фотоэлектронов. Число испускаемых электронов также изменяется, потому что вероятность того, что каждый воздействующий фотон приводит к испускаемому электрону, является функцией энергии фотона. Однако, если увеличить только интенсивность падающего излучения, это не повлияет на кинетические энергии фотоэлектронов.Для данного металла и частоты падающего излучения скорость испускания фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

Увеличение интенсивности падающего луча (поддержание частоты фиксированной) увеличивает величину фотоэлектрического тока, хотя напряжение торможения остается неизменным. Временной интервал между падением излучения и излучением фотоэлектрона очень мал, менее 10 -9 секунд, и на него не влияют изменения интенсивности.Математическое описаниеМаксимальная кинетическая энергия выброшенного электрона определяется выражением[Латекс] KE_ {макс} = HF- \ varphi [/ латекс]где h — постоянная Планка (6,626 x 10 -34 м 2 кг / с), а f — частота падающего фотона. Термин [latex] \ varphi [/ latex] является работой выхода (иногда обозначаемой W или ϕ), которая дает минимальную энергию, необходимую для удаления делокализованного электрона с поверхности металла.Рабочая функция удовлетворяет [latex] \ varphi = hf_ {0} [/ latex]где f 0 — пороговая частота для металла.

Тогда максимальная кинетическая энергия выброшенного электрона[latex] KE_ {max} = h (f-f_0) [/ latex]Кинетическая энергия должна быть положительной для выброса, поэтому мы должны иметь f> f 0 для возникновения фотоэффекта.ФЭУФотоумножители представляют собой чрезвычайно светочувствительные вакуумные трубки с фотокатодом, нанесенным на часть (конец или сторону) внутренней части оболочки. Фотокатод содержит комбинации материалов, таких как цезий, рубидий и сурьма, специально отобранных для обеспечения низкой работы выхода, поэтому при освещении даже очень низким уровнем света фотокатод легко высвобождает электроны.

Посредством ряда электродов (динодов) при очень высоких потенциалах эти электроны ускоряются и существенно увеличиваются в количестве посредством вторичной эмиссии, чтобы обеспечить легко обнаруживаемый выходной ток. Фотоумножители до сих пор широко используются везде, где должны быть обнаружены низкие уровни света.Источники —

Физика. 11 класс

Физика, 11 классУрок 22.

ФотоэффектПеречень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  1. гипотеза М. Планка о квантах;
  2. предмет и задачи квантовой физики;
  3. уравнение Эйнштейна для фотоэффекта;
  4. опыты А.Г. Столетова;
  5. определение фотоэффекта, кванта, тока насыщения, задерживающего напряжения, работы выхода, красной границы фотоэффекта;
  6. законы фотоэффекта.

Глоссарий по теме:Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.Квант — (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.Ток насыщения — некоторое предельное значение силы фототока.Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.Основная и дополнительная литература по теме урока:1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. . Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017.

– С. 259 – 267.2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.3. Элементарный учебник физики.

Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд.

– М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.4.

Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ.

и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.Теоретический материал для самостоятельного изученияВ начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными.

Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙с.После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙с.После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика. Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.Схема установки для изучения законов фотоэффектаПервый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.Зависимость силы тока от приложенного напряженияУвеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения.

Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.hνmin = Aвгде Ав – работа выхода электронов;h – постоянная Планка;νmin — частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;с – скорость света;λкр – длина волны, соответствующая красной границе.Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю. Задерживающее напряжениеМаксимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:где

— максимальная кинетическая энергия электронов;Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн.

На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела.

При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии: В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена

«за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта»

.Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами.

Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.Примеры и разбор решения заданий1.

Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:1) увеличится2) уменьшится3) не изменитсяЗапишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины.

Цифры в ответе могут повторяться.Работа выходаЗапирающее напряжениеРешение:Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света. Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла.

Оно определяется из уравнения: Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается. Ответ:Работа выходаЗапирающее напряжениене изменитсяувеличится2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ0 = 290 нм.

При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.Решение.Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны: Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода: Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.Ответ: λ ≈ 215 нм.

Электроника в пять шагов. Явление фотоэффекта.

20 декабря 2018Явление фотоэффекта было обнаружено еще в 1887 году Генрихом Герцем(он обнаружил , что при подаче напряжения на два шара, между ними проскакивала искра, при освещении этого участка ультрафиолетом, искра проскакивала легче ). Но он не придал открытому эффекту большого значения, так как был увлечен исследованием электромагнитного излучения в тот момент.

Спустя год независимо от Герца этот эффект открыл и исследовал наш соотечественник Александр Григорьевич Столетов. Основная идея состоит в том, что энергия света падающего на поверхность вещества, высвобождает связанные электроны, тем самым увеличивая количество свободных носителей — в данном случае электронов.Фотоэффект разделяют на два типа: внешний и внутренний.Внешним фотоэффектом называют явление — высвобождения электронов и выход их за пределы освещаемой поверхности, то есть тела.Внутренним фотоэффект называют явление — высвобождения электронов на энергетическом уровне и переход электронов из валентной зоны в зону проводимости.Выделяют три закона фотоэффекта:Первый закон фотоэффекта.Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).Второй закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается.

Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффектаВ своих опытах Столетов, собрал специальную конструкцию для наблюдения фотоэффекта.Через небольшое специальное окошечко из кварцевого стекла, катод освещался ультрафиолетом, если на катод подать отрицательное напряжение относительно анода, то под действием лучей электроны покидают катод и под действием электрического поля движутся в сторону анода. Миллиамперметр фиксирует при этом ток и зависимость тока от интенсивности освещения.Наблюдая за опытом, мы можем менять три параметра:1 — это напряжение на аноде, относительно катода, даже с учетом полярности.2 — интенсивность освещения3 — частота света, или по простому — цвет.Поэтому наблюдая за этим явлением, Александр Григорьевич и сформулировал три закона фотоэффекта, перечисленные выше.Нам же сегодня интересно, где это явление можно использовать.На самом деле, это явления широко используется в полупроводниковой технике, в таких элементах как, фотодиод, фототранзистор, фотосимистор.Большое количество датчиков освещенности, оптических датчиков используют этот эффект.

Но наиболее распространенное использование получили оптопары, которые решили вопрос гальванической развязки по минимальной цене. С помощью них работают Есть еще и другие устройства, но это уже отдельная история.Если Вам понравилась публикация, подписывайтесь на канал, за Ваши лайки чаще показывают Наши публикации.

Для поиска публикаций через поисковые системы, просто вводите слово Вивитроника.

Свои комментарии можете предлагать в группеЕсли есть вопросы или по желания, то пишите, черезКанал.

Школьная Энциклопедия

Подробности Категория: Опубликовано 15.02.2015 19:27 Просмотров: 11667 Испускание электронов веществом под действием света называется . Явление демонстрирует простой опыт.

Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины.

Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком . Александр Григорьевич Столетов Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?

Мы знаем, что свет — это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц — . Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем. При поглощении фотон отдаёт электрону свою энергию.

Получив эту энергию, электрон совершает работу и покидает поверхность металла. И пластинка, и электрон имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются, и электрон вылетает с поверхности.

Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.

Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.

В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите). Александр Эдмонд Беккерель В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.

Рекомендуем прочесть:  Заявления образец в бассейн

Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.

Генрих Герц В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.

Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод, сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса.

Другой диск, анод, представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса.

Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение.

Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное. Опыт Столетова Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало.
Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол.

Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи.

И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света. Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.

В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами. А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии. Внешний фотоэффект Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом, или фотоэлектронной эмиссией.

Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами.

Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком.

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока. Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.

Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.

Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна: Е = h·ν,где ν — частота падающего фотона; h — постоянная Планка.

Получив энергию Е, электрон совершает работу выхода φ.

Остальная часть энергии — это кинетическая энергия фотоэлектрона. Из закона сохранения энергии вытекает равенство: h·ν=φ + We, где We — максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.

h·ν=φ + mv2/2 Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света νmin (или максимальная длина волны λmax), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ νmin, то фотоэффект уже не происходит.

Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света νmin. При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта, начинается испускание электронов. h· νmin = φ. Если частота фотона ниже νmin, его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.

Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям.

Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света). К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект, или фотоэффект в запирающем слое. Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело — полупроводник или электролит.

Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами. Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта. Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике.

Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки.

Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент.

С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду.

Их используют в телескопах и солнечных батареях.

Фотоэффект и его виды

Физика 26.10.202026.10.2021 Виктор Потехин .

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.

Фотоэффект Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект Вентильный (барьерный) фотоэффект Многофотонный фотоэффект Фотоэффект: Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.

На основе явления фотоэффекта созданы специальные устройства – фотоэлементы.

Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) – электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Выделяют внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект, а также вентильный (барьерный) фотоэффект и многофотонный фотоэффект.

Внешний фотоэффект: Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация). Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Рудольфом Герцем. Генрих Герц проводил опыты с цинковым разрядником – разрезанным пополам стержнем с парой металлических шариков на концах разреза.

На разрядник подавалось высокое напряжение. При облучении цинкового разрядника ультрафиолетом было замечено, что прохождение искры в разряднике заметно облегчалось. В 1888-1890 гг. Александр Григорьевич Столетов сделал несколько важных открытий в области фотоэффекта, в том числе вывел первый закон внешнего фотоэффекта.

В 1898 г. Джозеф Джон Томсон экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц – названных позднее электронами.

В 1900-1902 гг. Филипп Эдуард Антон фон Ленард доказал, что энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

В 1905 г. внешний фотоэффект был объяснён Альбертом Эйнштейном.

Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Григорьевич Столетов в конце XIX века. Он (фотоэлемент) представлял собой вакуумную стеклянную колбу.

Часть внутренней поверхности колбы была покрыта тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступал в качестве катода.

Он контактировал с проводом, который соединялся с отрицательным источником тока. В середине колбы располагался электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом.

Анод соединялся с положительным источником тока.

Другая часть колбы была прозрачна и пропускала вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырывались электроны, которые во внешнем электрическом поле устремлялись к аноду, создавая в цепи электрический ток. Внутренний фотоэффект: Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу. В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе.

Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

Впервые явление фотопроводимости (и соответственно явление внутреннего фотоэффекта) у селена открыл Уиллоуби Смит в 1873 г.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники обладают как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью.

Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами.

Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением.

Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома.

Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е.

внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Вентильный (барьерный) фотоэффект: Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p-n перехода.

Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля). При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок.

Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток.

По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к.

все большее число электронов достигает анода. На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей. Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к.

сами являются источником тока.

Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей.

Эффект прямого преобразования света в электричество впервые был открыт в 1842 г.

Александром Эдмоном Беккерелем.

В 1883 г. Чарльз Фриттс впервые создал первую работающую фотоэлектрическую ячейку, используя полупроводниковый материал селен. Фритц покрыл селен очень тонким слоем золота. Полученная фотоэлектрическая ячейка имела КПД преобразования света в электричество всего около 1%, что в сочетании с высокой стоимостью материала препятствовало использованию таких ячеек для энергоснабжения.

Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры.

Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в настоящее время в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %. Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов, произведенных на основе различных материалов.

Таблица 1. Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % Кремниевые 24,7 Si (кристаллический) Si (поликристаллический) Si (тонкопленочная передача) Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4 Si (аморфный) 9,5 Si (нанокристаллический) 10,1 На основе арсенида галлия и т.п. GaAs (кристаллический) 25,1 GaAs (тонкопленочный) 24,5 GaAs (поликристаллический) 18,2 InP (кристаллический) 21,9 Тонкие плёнки халькогенидов CIGS (фотоэлемент) 19,9 CIGS (субмодуль) 16,6 CdTe (фотоэлемент) 16,5 Фотохимические На базе органических красителей 10,4 На базе органических красителей (субмодуль) 7,9 Органические Органический полимер 5,15 Многослойные GaInP/GaAs/Ge 32,0 GaInP/GaAs 30,3 GaAs/CIS (тонкопленочный) 25,8 a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) 11,7 Многофотонный фотоэффект: Многофотонный фотоэффект – это явление, при котором изменение электропроводности, возникновение ЭДС или эмиссия электронов происходит вследствие поглощения одновременно энергии не от одного, а от нескольких фотонов. Такой эффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков).