Den fotoelektriske effekten er fenomenet med elektroner som sender ut lys fra et metall (eksternt)

Den fotoelektriske effekten er utslipp av elektroner fra et stoff under påvirkning av lys (eller annen elektromagnetisk stråling). I kondenserte stoffer (faste og flytende) er det en ekstern og intern fotoelektrisk effekt.

Ekstern fotoeffekt (fotoelektronutslipp) er utslipp av elektroner fra et stoff under påvirkning av elektromagnetisk stråling. Elektroner som sendes ut fra et stoff under en ekstern fotoelektrisk effekt kalles fotoelektroner, og den elektriske strømmen som genereres av dem under ordnet bevegelse i et eksternt elektrisk felt kalles fotostrøm.

Den interne fotoelektriske effekten er omfordelingen av elektroner mellom energitilstander i faste og flytende halvledere og dielektriske stoffer, som skjer under påvirkning av stråling. Det manifesterer seg i en endring i konsentrasjonen av ladningsbærere i mediet og fører til utseendet av fotokonduktivitet eller den fotoelektriske porteffekten.

Fotokonduktivitet er en økning i den elektriske ledningsevnen til et stoff under påvirkning av stråling.

Den fotoelektriske porteffekten er en type intern fotoelektrisk effekt - dette er forekomsten av en emf (foto-emf) når du belyser kontakten til to forskjellige halvledere eller en halvleder og et metall (i fravær av et eksternt elektrisk felt). Den fotoelektriske ventileffekten åpner veien for direkte konvertering av solenergi til elektrisk energi.

Den fotoelektriske multifotoneffekten er mulig hvis lysintensiteten er veldig høy (for eksempel ved bruk av laserstråler). I dette tilfellet kan et elektron som sendes ut av et metall samtidig motta energi ikke fra én, men fra flere fotoner.

Stoletovs lover

Første lov
Ved å studere avhengigheten av strømmen i sylinderen av spenningen mellom elektrodene med en konstant lysstrøm til en av dem, etablerte han den første loven for den fotoelektriske effekten.

Metningsfotostrømmen er proporsjonal med lysstrømmen som faller inn på metallet.

Fordi Strømstyrken bestemmes av størrelsen på ladningen, og lysstrømmen bestemmes av energien til lysstrålen, så kan vi si:

antall elektroner som slås ut av et stoff på 1 s er proporsjonalt med intensiteten av lys som faller inn på dette stoffet.

Andre lov

Ved å endre lysforholdene på den samme installasjonen, oppdaget A. G. Stoletov den andre loven om den fotoelektriske effekten: den kinetiske energien til fotoelektroner avhenger ikke av intensiteten til det innfallende lyset, men avhenger av dets frekvens.

Av erfaring følger det at hvis lysets frekvens økes, øker blokkeringsspenningen ved en konstant lysstrøm, og følgelig øker også den kinetiske energien til fotoelektroner. Dermed øker den kinetiske energien til fotoelektroner lineært med lysets frekvens.

Tredje lov

Ved å erstatte fotokatodematerialet i enheten, etablerte Stoletov den tredje loven for den fotoelektriske effekten: for hvert stoff er det en rød grense for den fotoelektriske effekten, dvs. Det er en minimumsfrekvens nmin der den fotoelektriske effekten fortsatt er mulig.

Loven om bevaring av energi, skrevet ned av Einstein for den fotoelektriske effekten, er utsagnet om at energien til et foton som er ervervet av et elektron lar det forlate overflaten av lederen og fullføre sin arbeidsfunksjon. Resten av energien realiseres i form av kinetisk energi til det nå frie elektronet

Energien til det innfallende fotonet brukes på elektronet som utfører arbeid A fra metallet og på å overføre kinetisk energi mv2max/2 til det utsendte fotoelektronet. I henhold til loven om bevaring av energi,

(203.1)

Ligning (203.1) kalles Einstein-ligningen for den eksterne fotoelektriske effekten.

Compton effekt

Endring i bølgelengde til lys når det spres av bundne elektroner

RUTHERFORDS EKSPERIMENT. PLANETARISK MODELL AV ATOMET

Rutherfords eksperimenter. Massen av elektroner er flere tusen ganger mindre enn massen av atomer. Siden atomet som helhet er nøytralt, er derfor hoveddelen av atomets masse i sin positivt ladede del.

For å eksperimentelt studere fordelingen av positiv ladning, og derfor masse, inne i et atom, foreslo Ernest Rutherford i 1906 å bruke sondering av atomet ved å bruke -partikler. Disse partiklene oppstår fra nedbrytning av radium og noen andre elementer. Massen deres er omtrent 8000 ganger massen til et elektron, og deres positive ladning er lik dobbelt så stor som elektronladningen. Dette er ikke annet enn fullstendig ioniserte heliumatomer. Hastigheten til -partikler er veldig høy: den er 1/15 av lysets hastighet.

Rutherford bombarderte atomene til tunge grunnstoffer med disse partiklene. På grunn av deres lave masse kan elektroner ikke nevneverdig endre banen til en partikkel, akkurat som en småstein som veier flere titalls gram når den kolliderer med en bil ikke kan endre hastigheten nevneverdig.

Planetarisk modell av atomet. Basert på eksperimentene hans skapte Rutherford en planetarisk modell av atomet. I sentrum av atomet er en positivt ladet kjerne, der nesten hele massen av atomet er konsentrert. Generelt er atomet nøytralt. Derfor er antallet intraatomære elektroner, som ladningen til kjernen, lik atomnummeret til elementet i det periodiske systemet. Det er klart at elektroner ikke kan være i ro inne i et atom, siden de ville falle ned på kjernen. De beveger seg rundt kjernen, akkurat som planetene går i bane rundt solen. Denne typen elektronbevegelse bestemmes av virkningen av Coulomb-attraksjonskrefter fra kjernen.

Lover for ekstern fotoelektrisk effekt

Sammen med termisk stråling er et fenomen som ikke passer inn i rammen av klassisk fysikk den fotoelektriske effekten.

Den eksterne fotoelektriske effekten er fenomenet med utslipp av elektroner fra et stoff når det bestråles av elektromagnetiske bølger.

Den fotoelektriske effekten ble oppdaget av Hertz i 1887. Han la merke til at gnisten mellom sinkkuler ble lettere hvis mellomsparkspalten ble bestrålt med lys. Loven om den eksterne fotoelektriske effekten ble studert eksperimentelt av Stoletov i 1888. Diagrammet for å studere den fotoelektriske effekten er vist i fig. 1.

Figur 1.

Katoden og anoden er plassert i et vakuumrør, siden ubetydelig forurensning av metalloverflaten påvirker emisjonen av elektroner. Katoden er opplyst med monokromatisk lys gjennom et kvartsvindu (kvarts, i motsetning til vanlig glass, overfører ultrafiolett lys). Spenningen mellom anode og katode justeres med et potensiometer og måles med et voltmeter. To batterier og koblet mot hverandre lar deg endre verdien og fortegn på spenningen ved hjelp av et potensiometer. Styrken til fotostrømmen måles med et galvanometer.

I fig.2. kurver som viser avhengigheten av fotostrømstyrken på spenning som tilsvarer forskjellig katodebelysning og (). Frekvensen av lys er den samme i begge tilfeller.

hvor og er ladningen og massen til elektronet.

Når spenningen øker, øker fotostrømmen ettersom flere fotoelektroner når anoden. Den maksimale verdien av fotostrømmen kalles metningsfotostrøm. Det tilsvarer spenningsverdier der alle elektroner som er slått ut av katoden når anoden: , hvor er antall fotoelektroner som sendes ut fra katoden på 1 sekund.

Stoletov etablerte eksperimentelt følgende lover for den fotoelektriske effekten:

Det oppsto alvorlige vanskeligheter med å forklare den andre og tredje loven. I følge elektromagnetisk teori skal utstøtingen av frie elektroner fra et metall være et resultat av at de "svinger" i bølgens elektriske felt. Da er det ikke klart hvorfor den maksimale hastigheten til utsendte elektroner avhenger av lysets frekvens, og ikke av amplituden til oscillasjonene til den elektriske feltstyrkevektoren og den tilhørende bølgeintensiteten. Vanskeligheter med å tolke den andre og tredje loven for den fotoelektriske effekten har reist tvil om den universelle anvendeligheten til bølgeteorien om lys.

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten

I 1905 forklarte Einstein lovene for den fotoelektriske effekten ved å bruke sin foreslåtte kvanteteori. Lys sendes ikke bare ut av frekvens, slik Planck antok, men absorberes også av materie i visse deler (kvanter). Lys er en strøm av diskrete lyskvanter (fotoner) som beveger seg med lysets hastighet. Kvanteenergien er lik . Hvert kvante absorberes av bare ett elektron. Derfor må antallet utkastede elektroner være proporsjonalt med lysintensiteten (1. lov for den fotoelektriske effekten).

Energien til det innfallende fotonet brukes på elektronet som utfører arbeidet med å forlate metallet og på å overføre kinetisk energi til det utsendte fotoelektronet:

(2)

Ligning (2) kalles Einstein-ligningen for den eksterne fotoelektriske effekten. Einsteins ligning forklarer den andre og tredje loven for den fotoelektriske effekten. Det følger direkte av ligning (2) at den maksimale kinetiske energien øker med økende frekvens av det innfallende lyset. Når frekvensen avtar, avtar den kinetiske energien og ved en viss frekvens blir den lik null og den fotoelektriske effekten stopper (). Herfra

hvor er antall absorberte fotoner.

I dette tilfellet skifter den røde grensen til den fotoelektriske effekten mot lavere frekvenser:

.

(5)

I tillegg til den eksterne fotoelektriske effekten, er den interne fotoeffekten også kjent. Når faste og flytende halvledere og dielektriske stoffer bestråles, beveger elektroner seg fra en bundet tilstand til en fri tilstand, men flyr ikke ut. Tilstedeværelsen av frie elektroner gir opphav til fotokonduktivitet. Fotokonduktivitet er en økning i den elektriske ledningsevnen til et stoff under påvirkning av lys.

Foton og dets egenskaper

Fenomenene interferens, diffraksjon og polarisering kan bare forklares av lysets bølgeegenskaper. Imidlertid er den fotoelektriske effekten og termisk stråling bare korpuskulær (betraktet lys som en fluks av fotoner). Bølge- og kvantebeskrivelser av lysets egenskaper utfyller hverandre. Lys er både en bølge og en partikkel. De grunnleggende ligningene som etablerer sammenhengen mellom bølge- og korpuskulære egenskaper er som følger:

(7)

Og er mengder som karakteriserer en partikkel, og er en bølge.

Vi finner fotonmassen fra relasjon (6): .

Et foton er en partikkel som alltid beveger seg med lysets hastighet og har en hvilemasse på null. Fotonmomentet er lik: .

Compton effekt

De mest komplette korpuskulære egenskapene manifesteres i Compton-effekten. I 1923 studerte den amerikanske fysikeren Compton spredningen av røntgenstråler av parafin, hvis atomer er lette.

Fra et bølgesynspunkt skyldes spredningen av røntgenstråler de tvungne vibrasjonene av elektronene i stoffet, slik at frekvensen til det spredte lyset må falle sammen med frekvensen til det innfallende lyset. Imidlertid ble det funnet en lengre bølgelengde i det spredte lyset. er ikke avhengig av bølgelengden til de spredte røntgenstrålene og av materialet til spredningsstoffet, men avhenger av spredningsretningen. La da være vinkelen mellom retningen til primærstrålen og retningen til det spredte lyset , hvor (m).

Denne loven gjelder for lette atomer ( , , , ) som har elektroner som er svakt bundet til kjernen. Spredningsprosessen kan forklares med den elastiske kollisjonen mellom fotoner og elektroner. Når de utsettes for røntgenstråler, skilles elektroner lett fra atomet. Derfor kan spredning av frie elektroner vurderes. Et foton med momentum kolliderer med et stasjonært elektron og gir det en del av energien, og får selv momentum (fig. 3).

Fig.3.

Ved å bruke lovene om bevaring av energi og momentum for en absolutt elastisk innvirkning, får vi følgende uttrykk: , som sammenfaller med den eksperimentelle, mens , som beviser den korpuskulære teorien om lys.

Luminescens, fotoluminescens og dens grunnleggende prinsipper

Luminescens er ikke-likevektsstråling som overskrider termisk stråling ved en gitt temperatur. Luminescens oppstår under påvirkning av ytre påvirkninger som ikke er forårsaket av oppvarming av kroppen. Dette er en kald glød. Avhengig av eksitasjonsmetoden skilles de ut: fotoluminescens (under påvirkning av lys), kjemiluminescens (under påvirkning av kjemiske reaksjoner), katodoluminescens (under påvirkning av raske elektroner) og elektroluminescens (under påvirkning av et elektrisk felt) .

Luminescens som stopper umiddelbart (er) etter at den ytre påvirkningen er borte, kalles fluorescens. Hvis luminescens forsvinner innen s etter slutten av eksponeringen, kalles det fosforescens.

Stoffer som lyser opp kalles fosfor. Disse inkluderer forbindelser av uran, sjeldne jordarter, samt konjugerte systemer der bindinger veksler, aromatiske forbindelser: fluorescein, benzen, naftalen, antracen.

Fotoluminescens følger Stokes lov: frekvensen til det spennende lyset er større enn den utsendte frekvensen , hvor er den delen av den absorberte energien som blir til varme.

Hovedkarakteristikken til luminescens er kvanteutbyttet lik forholdet mellom antall absorberte kvanter og antall utsendte kvanter. Det er stoffer hvis kvanteutbytte er nær 1 (for eksempel fluorescein). Antracen har et kvanteutbytte på 0,27.

Fenomenet luminescens er mye brukt i praksis. For eksempel er luminescensanalyse en metode for å bestemme sammensetningen av et stoff ved dets karakteristiske glød. Metoden er svært følsom (omtrent ) for å oppdage små mengder urenheter og brukes til presis forskning innen kjemi, biologi, medisin og næringsmiddelindustri.

Luminescerende feildeteksjon lar deg oppdage de fineste sprekkene på overflaten av maskindeler (overflaten som undersøkes er dekket med en selvlysende løsning, som etter fjerning forblir i sprekkene).

Fosfor brukes i lysrør, er det aktive mediet til optiske kvantegeneratorer, og brukes i elektron-optiske omformere. Brukes til å lage lysende indikatorer for ulike enheter.

Fysiske prinsipper for nattsynsenheter

Grunnlaget for enheten er en elektron-optisk omformer (EOC), som konverterer et bilde av et objekt i IR-stråler som er usynlige for øyet til et synlig bilde (fig. 4).

Fig.4.

1 – fotokatode, 2 – elektronlinse, 3 – selvlysende skjerm,

Infrarød stråling fra et objekt forårsaker fotoelektronutslipp fra overflaten av fotokatoden, og mengden utslipp fra forskjellige deler av sistnevnte endres i samsvar med lysstyrkefordelingen til bildet som projiseres på det. Fotoelektroner akselereres av det elektriske feltet i området mellom fotokatoden og skjermen, fokusert av elektronlinsen og bombarderer skjermen, og får den til å lyse opp. Intensiteten til gløden til individuelle punkter på skjermen avhenger av flukstettheten til fotoelektroner, som et resultat av at et synlig bilde av objektet vises på skjermen.

Teori

Fotoelektrisk effekt er utstøting av elektroner fra et stoff under påvirkning av lys. I et metall beveger et elektron seg fritt, men når det forlater overflaten, blir selve metallet ladet med en positiv ladning og hindrer det i å forlate det. Derfor, for å forlate metallet, må elektronet ha ekstra energi, avhengig av stoffet. Denne energien kalles arbeidsfunksjon.

For å studere den fotoelektriske effekten kan du sette sammen oppsettet vist i fig. 1. Den består av en glassylinder som luften er pumpet ut fra. Vinduet som lyset faller gjennom er laget av kvartsglass, som overfører synlige og ultrafiolette stråler. To elektroder er loddet inne i sylinderen: den ene, katoden, er opplyst gjennom vinduet. Mellom elektrodene skaper kilden et elektrisk felt, som får fotoelektroner til å bevege seg fra katoden til anoden.

bevegelige elektroner danner en elektrisk strøm (fotostrøm). Når spenningen endres, endres strømmen. Avhengighetsgraf Jeg fra U- strøm-spenningskarakteristikk - vist i fig. 2. Ved lave spenninger når ikke alle elektroner som kastes ut fra katoden anoden, ettersom spenningen øker, øker antallet. Ved en viss spenning når alle elektroner som kastes ut av lys anoden, deretter etableres en metningsstrøm I n, med en ytterligere økning i spenning, endres ikke strømmen.

Etter hvert som intensiteten til den innfallende strålingen øker, observeres en økning i metningsstrømmen, proporsjonal med antall utkastede elektroner. Den første loven for den fotoelektriske effekten sier at antall elektroner som kastes ut fra overflaten av et metall av lys er proporsjonal med den absorberte energien til lysbølgen.

For å måle den kinetiske energien til elektroner, må du endre polariteten til strømkilden. På grafen tilsvarer dette tilfellet seksjonen ved U, hvor fotostrømmen faller til null. Nå akselererer ikke feltet, men bremser fotoelektroner. Ved en viss spenning, kalt forsinkelse U 3, forsvinner fotostrømmen. I dette tilfellet vil alle elektroner bli stoppet av feltet, deretter vil feltet returnere dem til den tidligere katoden, akkurat som en stein som kastes oppover vil bli stoppet av jordens gravitasjonsfelt og returnert til jorden igjen.

Arbeid av elektriske feltkrefter A = qU 3, brukt på å bremse elektronet, er lik endringen i den kinetiske energien til elektronet, dvs. m v 2/2 = qU 3, Hvor m- elektronmasse, v - hastigheten, q- lade. Det vil si ved å måle forsinkelsesspenningen U 3, definerer vi den maksimale kinetiske energien. Det viste seg at den maksimale kinetiske energien til elektroner ikke er avhengig av lysets intensitet, men bare av frekvensen. Dette utsagnet kalles den andre loven for den fotoelektriske effekten.

Ved en viss grensefrekvens for lys, som avhenger av det spesifikke stoffet, og ved lavere frekvenser, observeres ikke den fotoelektriske effekten. Denne grensefrekvensen kalles den "røde" grensen for den fotoelektriske effekten.

A. Einstein forklarte lovene for den fotoelektriske effekten i 1905. Han brukte Plancks idé om lysets kvantenatur. Energi av ett kvantum av lys E = hν. Hvis vi antar at ett kvantum av lys sender ut ett elektron, vil energien til kvantumet E går til å utføre arbeidsfunksjonen til elektronet EN og å kommunisere kinetisk energi til ham mv 2 /2. Det er

hν = A + mv 2/2.

Denne ligningen kalles Einstein-ligningen for den fotoelektriske effekten.

La oss forklare den første loven om den fotoelektriske effekten fra synspunktet til Einsteins ideer. Hvis ett energikvante støter ut ett elektron, vil jo flere kvanter stoffet absorberer (jo større lysintensitet er), jo flere elektroner vil fly ut av stoffet.

La oss forklare den andre loven om den fotoelektriske effekten. Arbeidsfunksjon EN avhenger av typen stoff og er ikke avhengig av lysets frekvens. Den kinetiske energien til et elektron som kastes ut fra materie er mv 2 /2=h - A avhenger av lysets frekvens ν : Jo høyere frekvens, jo mer kinetisk energi vil elektronet motta. Lysintensiteten påvirker ikke den kinetiske energien til et elektron, fordi Einsteins ligning beskriver energien til et enkelt elektron. Uansett hvor mange elektroner som sendes ut, avhenger hastigheten til hver av dem av frekvensen.

Einsteins formel forklarer også det faktum at lys med en gitt frekvens kan fjerne et elektron fra ett stoff, men ikke fra et annet. For hvert stoff observeres den fotoelektriske effekten hvis energien til lyskvantumet er større enn eller, i ekstreme tilfeller, lik arbeidsfunksjonen ( hν ≥ A). Den begrensende frekvensen der den fotoelektriske effekten fortsatt er mulig er ν min = A/t. Dette er frekvensen som elektroner blir kastet ut uten å gi dem kinetisk energi - frekvensen til den "røde grensen" til den fotoelektriske effekten.

La oss skrive Einstein-ligningen for tilfellet når den kinetiske energien til elektronet er lik i størrelsesorden arbeidet til de elektriske feltkreftene, det vil si ved en retarderende spenning:

hν = A + qU 3.

Herfra U3 = -A/q + (h/q)ν.

La oss plotte avhengigheten av forsinkelsesspenningen på frekvensen (fig. 3). Fra formelen er det klart at avhengigheten U 3 fra ν er lineær. Tangent av grafhellingen:

tan α = ΔU3/Δν = h/q.

Derfor Plancks konstant:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

Denne formelen tjener til å eksperimentelt bestemme Plancks konstant.

§ 3 . Fotoeffekt

Ekstern fotoelektrisk effekt er fenomenet med elektroner som kastes ut fra faste stoffer og væsker under påvirkning av lys.

Oppdaget fenomenet fotoelektrisk effekt Heinrich Hertz(1857 – 1894) i 1887 år. Han la merke til at passasjen av en gnist mellom gnistgap-kulene ble mye lettere hvis en av kulene ble opplyst med ultrafiolette stråler.

Så inn 1888-1890 Den fotoelektriske effekten ble studert på 1980-tallet Alexander Grigorievich Stoletov (1839 – 1896).

Han fant ut at:

ultrafiolette stråler har størst effekt;

når lysstrømmen øker, øker fotostrømmen;

ladningen av partikler som slippes ut fra faste stoffer og væsker under påvirkning av lys er negativ.

Parallelt med Stoletov ble den fotoelektriske effekten studert av en tysk forsker Philip Lenard (1862 – 1947).

De etablerte de grunnleggende lovene for den fotoelektriske effekten.

Før vi formulerer disse lovene, la oss vurdere Et moderne opplegg for å observere og studere den fotoelektriske effekten. Det er enkelt. To elektroder (katode og anode) er loddet inn i glassbeholderen, som spenning U påføres. I mangel av lys viser amperemeteret at det ikke er strøm i kretsen.

Når katoden er opplyst med lys, selv i fravær av spenning mellom katoden og anoden, viser amperemeteret tilstedeværelsen av en liten strøm i kretsen - fotostrøm. Det vil si at elektroner som sendes ut fra katoden har en viss kinetisk energi
og nå anoden "på egen hånd".

Når spenningen øker, øker fotostrømmen.

Fotostrømmens avhengighet av spenningen mellom katoden og anoden kalles strøm-spenningskarakteristikken.

OM har følgende skjema. Ved samme intensitet av monokromatisk lys, med økende spenning, øker strømmen først, men deretter stopper veksten. Fra en viss verdi av akselerasjonsspenningen slutter fotostrømmen å endre seg og når sin maksimale (ved en gitt lysintensitet) verdi . Denne fotostrømmen kalles metningsstrøm.

For å "låse" en fotocelle, det vil si redusere fotostrømmen til null, er det nødvendig å bruke en "blokkeringsspenning"
. I dette tilfellet virker det elektrostatiske feltet og bremser de utsendte fotoelektronene

. (1)

Dette betyr at ingen av elektronene som slipper ut av metallet når anoden hvis anodepotensialet er lavere enn katodepotensialet med en mengde
.

E Eksperimentet viste at når frekvensen til det innfallende lyset endres, forskyves utgangspunktet for grafen langs spenningsaksen. Det følger av dette at størrelsen på blokkeringsspenningen, og følgelig den kinetiske energien og maksimalhastigheten til de utsendte elektronene, avhenger av frekvensen til det innfallende lyset.

Første lov om den fotoelektriske effekten . Maksimal hastighetsverdiutsendte elektroneravhenger av frekvensen av den innfallende strålingen (øker med økende frekvens) og er ikke avhengig av dens intensitet.

E Hvis vi sammenligner strømspenningskarakteristikkene oppnådd ved forskjellige intensiteter (i figur I 1 og I 2) av innfallende monokromatisk (enkeltfrekvens) lys, kan vi legge merke til følgende.

For det første kommer alle strømspenningskarakteristikker fra samme punkt, det vil si at ved enhver lysintensitet forsvinner fotostrømmen ved en spesifikk (for hver frekvensverdi) retarderende spenning
. Dette er nok en bekreftelse på gyldigheten av den første loven om den fotoelektriske effekten.

For det andre. Når intensiteten til det innfallende lyset øker, endres ikke arten av strømmens avhengighet av spenning, bare verdien av metningsstrømmen øker.

Andre lov om den fotoelektriske effekten . Størrelsen på metningsstrømmen er proporsjonal med størrelsen på lysstrømmen.

Når man studerte den fotoelektriske effekten, ble det funnet at ikke all stråling forårsaker den fotoelektriske effekten.

Tredje lov om den fotoelektriske effekten . For hvert stoff er det en minimumsfrekvens (maksimal bølgelengde) der den fotoelektriske effekten fortsatt er mulig.

Denne bølgelengden kalles "den røde kanten av den fotoelektriske effekten" (og frekvensen - den tilsvarende røde kanten av den fotoelektriske effekten).

5 år etter at Max Plancks verk dukket opp, brukte Albert Einstein ideen om diskrete lysutslipp for å forklare lovene til den fotoelektriske effekten. Einstein foreslo at lys ikke bare sendes ut i porsjoner, men også sprer seg og absorberes i porsjoner. Dette betyr at diskretiteten til elektromagnetiske bølger er en egenskap ved selve strålingen, og ikke et resultat av samspillet mellom stråling og materie. Ifølge Einstein ligner et strålingskvante på mange måter på en partikkel. Kvantumet er enten fullstendig absorbert eller ikke absorbert i det hele tatt. Einstein presenterte emisjonen av et fotoelektron som et resultat av en kollisjon mellom et foton og et elektron i et metall, der all energien til fotonet overføres til elektronet. Så Einstein skapte kvanteteorien om lys, og basert på den skrev han ligningen for den fotoelektriske effekten:

.

Her er Plancks konstant, - Frekvens,
– arbeidsfunksjonen til elektronet som forlater metallet,
er hvilemassen til elektronet, v er hastigheten til elektronet.

Denne ligningen forklarte alle de eksperimentelt etablerte lovene for den fotoelektriske effekten.

Siden arbeidsfunksjonen til et elektron fra et stoff er konstant, øker hastigheten til elektronene også når frekvensen øker.

Hvert foton slår ut ett elektron. Derfor kan ikke antallet utkastede elektroner være større enn antallet fotoner. Når alle de utkastede elektronene når anoden, slutter fotostrømmen å vokse. Når lysintensiteten øker, øker også antallet fotoner som faller inn på overflaten av stoffet. Følgelig øker antallet elektroner som disse fotonene slår ut. Samtidig øker metningsfotostrømmen.

Hvis fotonenergien bare er nok til å fullføre arbeidsfunksjonen, vil hastigheten til de utsendte elektronene være null. Dette er den "røde grensen" for den fotoelektriske effekten.

Den interne fotoelektriske effekten observeres i krystallinske halvledere og dielektriske stoffer. Det består i det faktum at under påvirkning av bestråling øker den elektriske ledningsevnen til disse stoffene på grunn av en økning i antall frie strømbærere (elektroner og hull) i dem.

Dette fenomenet kalles noen ganger fotokonduktivitet.

I 1887 oppdaget Heinrich Rudolf Hertz et fenomen som senere ble kalt den fotoelektriske effekten. Han definerte essensen som følger:

Hvis lyset fra en kvikksølvlampe rettes mot natriummetall, vil elektroner fly ut fra overflaten.

Den moderne formuleringen av den fotoelektriske effekten er annerledes:

Når lyskvanter faller på et stoff og ved deres påfølgende absorpsjon, vil ladede partikler frigjøres delvis eller fullstendig i stoffet.

Med andre ord, når lysfotoner absorberes, observeres følgende:

1. Emisjon av elektroner fra materie
2. Endring i elektrisk ledningsevne til et stoff
3. Utseendet til foto-EMF ved grensesnittet til medier med forskjellige ledningsevner (for eksempel metall-halvleder)

For tiden er det tre typer fotoelektrisk effekt:

1. Intern fotoeffekt. Den består i å endre ledningsevnen til halvledere. Det brukes i fotoresistorer, som brukes i røntgen- og ultrafiolett strålingsdosimetre, og brukes også i medisinsk utstyr (oksymeter) og brannalarm.
2. Ventil fotoeffekt. Det består i forekomsten av foto-EMF ved grensen av stoffer med forskjellige typer ledningsevne, som et resultat av separasjon av elektriske ladningsbærere av et elektrisk felt. Den brukes i solceller, selenfotoceller og sensorer som registrerer lysnivåer.
3. Ekstern fotoeffekt. Som nevnt tidligere, er dette prosessen med elektroner som forlater materie i et vakuum under påvirkning av kvanter av elektromagnetisk stråling.

Lover for ekstern fotoelektrisk effekt.

De ble installert av Philip Lenard og Alexander Grigorievich Stoletov på begynnelsen av 1900-tallet. Disse forskerne målte antall utkastede elektroner og deres hastighet som en funksjon av intensiteten og frekvensen til den påførte strålingen.

Første lov (Stoletovs lov):

Styrken til metningsfotostrømmen er direkte proporsjonal med lysstrømmen, dvs. innfallende stråling på materie.

Teoretisk formulering: Når spenningen mellom elektrodene er null, er ikke fotostrømmen null. Dette forklares av det faktum at etter å ha forlatt metallet, har elektroner kinetisk energi. I nærvær av spenning mellom anoden og katoden øker styrken til fotostrømmen med økende spenning, og ved en viss spenningsverdi når strømmen sin maksimale verdi (metningsfotostrøm). Dette betyr at alle elektronene som sendes ut av katoden hvert sekund under påvirkning av elektromagnetisk stråling, deltar i dannelsen av strøm. Når polariteten snus, synker strømmen og blir snart null. Her jobber elektronet mot det retarderende feltet på grunn av kinetisk energi. Når strålingsintensiteten øker (antallet fotoner øker), øker antallet energikvanter absorbert av metallet, og derfor øker antallet utsendte elektroner. Dette betyr at jo større lysfluks, jo større er metningsfotostrømmen.

I f us ~ F, I f us = k F

k - proporsjonalitetskoeffisient. Følsomhet avhenger av metallets natur. Følsomheten til et metall for den fotoelektriske effekten øker med økende lysfrekvens (ettersom bølgelengden avtar).

Denne ordlyden i loven er teknisk. Den er gyldig for vakuum fotovoltaiske enheter.

Antallet utsendte elektroner er direkte proporsjonalt med tettheten til den innfallende fluksen med dens konstante spektrale sammensetning.

Andre lov (Einsteins lov):

Den maksimale begynnelse kinetiske energien til et fotoelektron er proporsjonal med frekvensen til den innfallende strålingsfluksen og avhenger ikke av dens intensitet.

E kē = => ~ hυ

Tredje lov (loven om den "røde grensen"):

For hvert stoff er det en minimumsfrekvens eller maksimal bølgelengde, utover dette er det ingen fotoelektrisk effekt.

Denne frekvensen (bølgelengden) kalles den "røde kanten" til den fotoelektriske effekten.

Dermed etablerer han betingelsene for den fotoelektriske effekten for et gitt stoff avhengig av arbeidsfunksjonen til elektronet fra stoffet og energien til de innfallende fotonene.

Hvis fotonenergien er mindre enn arbeidsfunksjonen til elektronet fra stoffet, er det ingen fotoelektrisk effekt. Hvis fotonenergien overstiger arbeidsfunksjonen, går overskuddet etter absorpsjon av fotonet til den innledende kinetiske energien til fotoelektronet.

Bruker den til å forklare lovene for den fotoelektriske effekten.

Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten er et spesialtilfelle av loven om bevaring og transformasjon av energi. Han baserte teorien sin på lovene i den fortsatt begynnende kvantefysikken.

Einstein formulerte tre forslag:

1. Når de utsettes for elektroner av et stoff, absorberes de innfallende fotonene fullstendig.
2. Ett foton samhandler med bare ett elektron.
3. Ett absorbert foton bidrar til frigjøring av bare ett fotoelektron med en viss E kē.

Fotonenergien brukes på arbeidsfunksjonen (Aout) til elektronet fra stoffet og på dets innledende kinetiske energi, som vil være maksimalt dersom elektronet forlater overflaten av stoffet.

E kē = hυ - A utgang

Jo høyere frekvensen av den innfallende strålingen er, desto større energi har fotonene og jo mer (minus arbeidsfunksjonen) gjenstår for den innledende kinetiske energien til fotoelektronene.

Jo mer intens den innfallende strålingen er, jo flere fotoner kommer inn i lysstrømmen og jo flere elektroner kan unnslippe stoffet og delta i dannelsen av fotostrøm. Det er grunnen til at styrken til metningsfotostrømmen er proporsjonal med lysstrømmen (I f us ~ F). Imidlertid er den innledende kinetiske energien ikke avhengig av intensitet, fordi Ett elektron absorberer energien til bare ett foton.