Fotoelektromos hatás

A fotoelektromos hatás vagy más néven fotoelektromos effektus a fény vagy bármely más elektromágneses sugárzás anyaggal való kölcsönhatásának jelensége, amelyben a fotonenergia az anyag elektronjaira kerül át . A kondenzált (szilárd és folyékony) anyagokban megkülönböztetünk egy külső (a fotonok abszorpcióját az anyagon kívüli elektronok kibocsátása kíséri) és a belső (az anyagban maradó elektronok, megváltoztatják benne energiaállapotukat) fotoelektromos hatást. A fotoelektromos hatás a gázokban az atomok vagy molekulák ionizációjából áll sugárzás hatására [1] .

Külső fotoelektromos hatás

A külső fotoelektromos hatás ( fotoelektronikus emisszió ) egy anyag által elektromágneses sugárzás hatására kibocsátott elektronok. A külső fotoelektromos hatás során az anyagból kiszabaduló elektronokat fotoelektronoknak , a külső elektromos térben történő rendezett mozgás során általuk képzett elektromos áramot pedig fotoáramnak nevezzük .

Fotokatód  - egy vákuumelektronikus eszköz elektródája, amely közvetlenül elektromágneses sugárzásnak van kitéve, és ennek a sugárzásnak a hatására elektronokat bocsát ki.

A telítési fotoáram  a kilökött elektronok maximális árama, a fotokatód és az anód közötti áram, amelynél az összes kilökött elektron összegyűlik az anódon.

A fotokatód spektrális jellemzője  a spektrális érzékenység függése az elektromágneses sugárzás frekvenciájától vagy hullámhosszától.

Felfedezési előzmények

A külső fotoelektromos hatást 1887 -ben fedezte fel Heinrich Hertz [2] [3] [4] . Amikor nyitott rezonátorral dolgozott , észrevette, hogy ha ultraibolya fénnyel világítanak rá a cink szikraközökre , akkor a szikra áthaladása észrevehetően könnyebbé válik.

1888-1890-ben a fotoelektromos hatást Alekszandr Stoletov orosz fizikus [5] szisztematikusan tanulmányozta , aki 6 közleményt publikált [6] [7] [8] [9] [10] [11] . Számos fontos felfedezést tett ezen a területen, köztük a külső fotoelektromos hatás első törvényét [12] .

Stoletov arra a következtetésre jutott, hogy „a legnagyobb fénytörésű sugarak, amelyek hiányoznak a napspektrumból, kisütő hatást fejtenek ki, ha nem is kizárólag, de óriási fölénnyel a többi sugarakkal szemben”, vagyis közel jutott ahhoz a következtetéshez, hogy a vörös a fotoelektromos hatás határa létezik . 1891-ben Elster és Geitel az alkálifémek tanulmányozása során arra a következtetésre jutott, hogy minél nagyobb a fém elektropozitivitása, annál kisebb a vágási frekvencia, amelynél fényérzékenysé válik [13] .

Thomson 1898-ban kísérletileg megállapította, hogy a fémből külső fotoelektromos hatás során kilépő elektromos töltés az általa korábban felfedezett részecskék áramlása (később elektronoknak nevezték). Ezért a fotoáram növekvő megvilágítás melletti növekedését a kilökött elektronok számának növekedéseként kell érteni növekvő megvilágítás mellett.

Philip Lenard 1900-1902-ben végzett fotoelektromos effektus -tanulmányai kimutatták, hogy a klasszikus elektrodinamikával ellentétben a kibocsátott elektron energiája mindig szorosan összefügg a beeső sugárzás frekvenciájával, és gyakorlatilag nem függ a besugárzás intenzitásától .

A fotoelektromos hatást 1905-ben Albert Einstein magyarázta (amiért 1921 - ben Nobel-díjat kapott Carl Wilhelm Oseen svéd fizikus jelölésének köszönhetően ) Max Plancknak ​​a fény kvantumtermészetére vonatkozó hipotézise alapján. Einstein munkája egy fontos új hipotézist tartalmazott – ha Planck 1900 - ban azt javasolta, hogy a fény csak kvantált részekben bocsátkozik ki, akkor Einstein már azt hitte, hogy a fény csak kvantált részek ( fotonok ) formájában létezik  , mindegyik h ν energiával , ahol h Planck . s állandó .

1906-1915-ben a fotoelektromos hatást Robert Milliken dolgozta fel . Meg tudta állapítani a blokkoló feszültség pontos frekvenciától való függését (ami valójában lineárisnak bizonyult), és ebből ki tudta számítani a Planck-állandót. „Életemből tíz évet töltöttem ennek az 1905-ös einsteini egyenletnek a bizonyításával” – írta Millikan –, és minden várakozásommal ellentétben 1915-ben kénytelen voltam maradéktalanul beismerni, hogy kísérletileg megerősítették, annak abszurditása ellenére is, mert úgy tűnt, ellentmond mindennek, amit a fény interferenciájáról tudunk. Millikan 1923-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat "az elemi elektromos töltés és a fotoelektromos hatás terén végzett munkájáért".

A fotoelektromos hatás kutatása az egyik legkorábbi kvantummechanikai tanulmány volt.

A külső fotoelektromos hatás törvényei

A külső fotoelektromos hatás törvényei :

A fotoelektromos hatás 1. törvénye (Stoletov-törvény) : A telítési fotoáram erőssége egyenesen arányos a fénysugárzás intenzitásával [14] . A fotokatódra eső elektromágneses sugárzás állandó spektrális összetétele mellett a telítési fotoáram arányos a katód energiamegvilágításával (más szóval, a katódból egységnyi idő alatt kiütő fotoelektronok száma egyenesen arányos a sugárzás intenzitásával ).

A fotoelektromos hatás 2. törvénye : A fény által kiütött elektronok maximális kinetikai energiája a fény frekvenciájával növekszik, és nem függ annak intenzitásától [14] .

A fotoelektromos hatás 3. törvénye : Minden anyagra a felületének bizonyos állapotában van egy határfrekvenciás fény, amely alatt a fotoelektromos hatás nem figyelhető meg. Ezt a frekvenciát és a hozzá tartozó hullámhosszt a fotoelektromos hatás vörös határának nevezzük [14] .

A külső fotoelektromos hatás gyakorlatilag tehetetlen . A fényáram azonnal fellép, ha a test felületét megvilágítják, feltéve, hogy a fotoelektromos hatás fennáll [14] .

A fotoelektromos hatásnál a beeső elektromágneses sugárzás egy része visszaverődik a fém felületéről, egy része pedig behatol a fém, félvezető vagy dielektrikum felületi rétegébe, és ott elnyelődik. A foton elnyelésével az elektron energiát kap tőle. Az 1905-ös elmélet szerint, az energiamegmaradás törvényéből, amikor a fényt részecskék ( fotonok ) formájában ábrázolják, az Einstein-képlet a fotoelektromos hatásra a következő:

ahol  - ún. munkafüggvény (az elektron anyagból való eltávolításához szükséges minimális energia). A modern tudományos irodalomban nem használják a munkafunkció jelölésére ; a kibocsátott elektron  maximális kinetikus energiája ;  az energiával beeső foton frekvenciája  ; h Planck  állandója.

Ebből a képletből következik a fotoelektromos hatás vörös határának megléte T = 0 K-nél, vagyis a legalacsonyabb frekvencia ( ) megléte, amely alatt a fotonenergia már nem elég ahhoz, hogy egy elektront „kiüthessen” a fém. A jelenség a legtöbb anyagnál csak ultraibolya sugárzásban jelentkezik, azonban egyes fémeknél (lítium, kálium, nátrium) a látható fény is elegendő.

Az elektródákra alkalmazott fordított polaritású feszültség csökkenti a fotoelektromos áramot, mivel az elektronoknak extra munkát kell végezniük az elektrosztatikus erők leküzdéséhez. A fényáramot teljesen leállító minimális feszültséget lassító vagy blokkoló feszültségnek nevezzük . Az elektronok maximális kinetikus energiáját a késleltető feszültségben fejezzük ki:

A fotoelektromos hatás felosztható felületre , amikor egy fotoelektron kirepül az atomok felszíni rétegéből, és térfogatira , amikor egy fotoelektron kirepül egy szilárd test térfogatából. A térfogati fotoelektromos hatást három szakaszban vizsgáljuk:

az első szakaszban az atom elektronja gerjesztett állapotba gerjesztődik, a második szakaszban húzó elektromos tér hatására az elektron eléri a felszínt, a harmadik szakaszban, ha az elektron energiája elegendő a leküzdéshez. a potenciálgát a felszínen, majd kirepül a szilárd anyagból. Általánosságban a következőket írhatjuk:

ahol  az elektron kötési energiája a Fermi-szinthez viszonyítva, az elektron  energiavesztesége a felszín felé vezető úton, főként a kristályrácson való szórás következtében,  egy elektron vákuumba kibocsátott kinetikus energiája.

Fowler elmélete

Fowler elmélete [15] [16] jól leírja a fémek külső fotoelektromos hatásának fő szabályszerűségeit . Eszerint egy foton fémben való abszorpciója után energiája vezetési elektronokba kerül, aminek következtében a fémben lévő elektrongáz normál Fermi-Dirac eloszlású gázok keverékéből és gerjesztett ( által eltolt ) energiaeloszlás.

A fényáram sűrűségét a Fowler-képlet határozza meg:

ahol , ,  néhány állandó együttható a besugárzott fém tulajdonságaitól függően. A képlet olyan fotoemissziós gerjesztési energiákra érvényes, amelyek nem haladják meg a fém munkafunkcióját néhány elektronvoltnál nagyobb mértékben. Fowler elmélete csak a felületre normálisan beeső fény esetén ad olyan eredményeket, amelyek egybeesnek a kísérlettel.


Kvantumkimenet

A fotoelektromos hatás fontos mennyiségi jellemzője az Y kvantumhozam, a test felületére eső fotononkénti kibocsátott elektronok száma. Az Y értéket az anyag tulajdonságai, felületének állapota és a fotonenergiája határozzák meg.

A fémek fotoelektromos hatásának kvantumhozama a látható és közeli UV tartományban Y < 0,001 elektron/foton. Ennek oka mindenekelőtt a fotoelektronok kiszökésének kis mélysége, amely sokkal kisebb, mint a fémben történő fényelnyelés mélysége. A legtöbb fotoelektron eloszlatja energiáját, mielőtt megközelíti a felszínt, és elveszíti a lehetőséget, hogy vákuumba kerüljön. A fotoelektromos hatás küszöbéhez közeli fotonenergiáknál a legtöbb fotoelektron a vákuumszint alatt gerjesztődik, és nem járul hozzá a fotoemissziós áramhoz. Ráadásul a látható és a közeli UV tartományban nagy a visszaverődési együttható, és a sugárzásnak csak kis része nyelődik el a fémben. Ezek a korlátok részben feloldódnak a spektrum távoli UV tartományában, ahol Y eléri a 0,01 elektron/foton értéket E > 10 eV fotonenergiáknál.

Vektoriális fotoelektromos hatás

A vektoros fotoelektromos hatás a fényáramnak a beeső fény polarizációs irányától való függése, amely a fény hullámtulajdonságainak megnyilvánulásának következménye. A fényáram különösen erősen növekszik, ha az elektromos térerősség vektor a beesési síkban van (az érzékenység nagysága sokkal nagyobb és a spektrális karakterisztikának van egy szelektív maximuma), mint amikor merőleges a beesési síkra (a fotoáram monoton növekszik növekvő gyakorisággal). A vektoros fotoelektromos hatást a fém felületi rétegében elhelyezkedő elektronok fotoárammal magyarázzák, ahol a kettős réteg elektromos tere hat, potenciálgát hozva létre [17] [18] [19] .

Belső fotoelektromos hatás

A belső fotoelektromos hatás az elektromos vezetőképesség növekedésének és a besugárzás okozta ellenálláscsökkenésnek a jelensége [20] . Ezt az elektronok energiaállapotok közötti újraeloszlása ​​magyarázza szilárd és folyékony félvezetőkben és dielektrikumokban , amely sugárzás hatására történik, a töltéshordozók koncentrációjának változásában nyilvánul meg a közegben, és fényvezető képesség vagy szelep megjelenéséhez vezet. fotoelektromos hatás [21] .

A fotovezetőképesség egy anyag elektromos vezetőképességének növekedése sugárzás hatására.

Felfedezési előzmények

1839-ben Alexander Becquerel megfigyelte [22] a fotovoltaikus hatást egy elektrolitban.

1873-ban Willoughby Smith felfedezte, hogy a szelén fényvezető [23] [24] .

Faj

Szelep fotoelektromos effektus

A kapu fotoelektromos hatás vagy fotoelektromos hatás a gátrétegben  olyan jelenség, amelyben a fotoelektronok elhagyják a testet, és a határfelületen át egy másik szilárd anyagba ( félvezető ) vagy folyadékba ( elektrolitba ) jutnak.

Fotovoltaikus hatás

Fotovoltaikus hatás  - elektromotoros erő megjelenése elektromágneses sugárzás hatására [25] . A beeső fény intenzitásának mérésére (például fotodiódákban ) vagy elektromos áram előállítására használják napelemekben .

Érzékenyített fotoelektromos effektus

Az érzékenyített fotoelektromos hatás olyan fotoelektromos hatás, amelyet a szenzibilizáció jelensége kísér , vagyis a nagyrésű, szerves és szervetlen természetű fotovezetők fényérzékenységének nagyságrendjének és spektrumának változása a molekuláris vegyületek szerkezetétől függően [26] .

Fotopiezoelektromos hatás

A fotopiezoelektromos hatás egy fotoelektromotoros erő megjelenésének jelensége a félvezetőben a félvezető külső nem egyenletes összenyomódása mellett [27] .

Fotomágneses hatás

A fotomágneses hatás egy elektromotoros erő megjelenése megvilágított homogén félvezetőben mágneses térben [27] .

Nukleáris fotoelektromos hatás

Amikor egy gamma-sugarat elnyelnek , az atommag többlet energiát kap anélkül, hogy megváltoztatná nukleonösszetételét , és a többletenergiával rendelkező mag összetett mag . Más magreakciókhoz hasonlóan a gamma-sugárzás mag általi elnyelése csak akkor lehetséges, ha a szükséges energia- és spinarányok teljesülnek. Ha az atommagba átvitt energia meghaladja a magban lévő nukleon kötési energiáját , akkor a kialakult összetett atommag bomlása leggyakrabban nukleonok, főként neutronok kibocsátásával történik . Az ilyen bomlás nukleáris reakciókhoz vezet , amelyeket fotonukleárisnak neveznek, és ezekben a reakciókban a nukleonok (neutronok és protonok ) kibocsátásának jelensége a nukleáris fotoelektromos hatás [28] .

Többfoton fotoelektromos hatás

Erős elektromágneses térben több foton kölcsönhatásba léphet egy atom elektronhéjával a fotoelektromos hatás elemi aktusa során . Ebben az esetben egy atom ionizálása fotonenergiájú sugárzás segítségével lehetséges . Inert gázok hat- és hétfotonos ionizációját regisztrálták [29] .

Kortárs kutatás

Amint azt a Physikalisch-Technische Bundesanstalt német nemzeti metrológiai intézetben végzett kísérletek mutatják , amelyek eredményeit 2009. április 24-én tették közzé a Physical Review Letters [30] folyóiratban , a lágy röntgen hullámhossz-tartományban, több peta watt teljesítménysűrűség mellett . (10 15 W) négyzetcentiméterenként a fotoelektromos hatás általánosan elfogadott elméleti modellje hibásnak bizonyulhat.

Különféle anyagok összehasonlító kvantitatív vizsgálatai kimutatták, hogy a sugárzás és az anyag közötti kölcsönhatás mélysége alapvetően függ ezen anyag atomjainak szerkezetétől és a belső elektronhéjak közötti korrelációtól. A kísérletekben használt xenon esetében a fotoncsomag rövid impulzusban történő becsapódása nyilvánvalóan sok elektron egyidejű kibocsátásához vezet a belső héjakból [31] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. , Lebedev A. K. Fizika kézikönyve mérnökök és egyetemi hallgatók számára. - M., Onyx, 2007. - Példányszám 5100 példány. - ISBN 978-5-488-01248-6 . - Val vel. 725
  2. ↑ http://www.britannica.com/science/photoelectric-effect Archiválva : 2016. január 10. a Wayback Machine -nél "A fotoelektromos hatást 1887-ben fedezte fel Heinrich Rudolf Hertz német fizikus."
  3. ↑ H. Hertz (1887), Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung Archivált 2016. január 24-én a Wayback Machine -nél (An effect of ultraviolet light on electric charge) / Ann. Phys. , 267:983-1000. doi: 10.1002/andp.18872670827  (német)
  4. ↑ Stig Lundqvist, Fizika, 1901-1921 Archiválva : 2016. február 4. a Wayback Machine -nél // World Scientific, 1998, ISBN 9789810234010 , 121. o  .
  5. ↑ TSB, PHOTOEFECT
  6. ↑ Stoletow, A. Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets  (francia)  // Comptes Rendus :magazin. - 1888. - 1. köt. VI . - 1149. o . (Újranyomva Stoletowban, MA Az ultraibolya sugarak által termelt elektromos  áramról (angol)  // Philosophical Magazine Series 5: Journal. - 1888. - Vol. 26 , no. 160. - P. 317. - doi : 10.1080/14786448808628270 ; absztrakt in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  7. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-electriques au travers deTair  (francia)  // Comptes Rendus :magazin. - 1888. - 1. köt. VI . - 1593. o . (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  8. ↑ Stoletow, A. Suite des recherches actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1888. - T. VII . - S. 91 . (Abstract in 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. Aktino-elektromos kutatás  (orosz)  // Az Orosz Fizikai és Kémiai Társaság folyóirata. - 1889. - T. 21 . - S. 159 .
  11. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié  (francia)  // Journal de Physique  : magazin. - 1890. - Kt. 9 . - 468. o . - doi : 10.1051/jphystap:018900090046800 .
  12. ↑ TSB, SZTOLETOV ALEXANDER GRIGORJEVICS
  13. ↑ Dukov V. M.  Történelmi áttekintések a középiskolai fizika során. M.: Prosveshchenie 1983. 160 p.
  14. ↑ 1 2 3 4 Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. A fizika alapjai. 2. kötet - M., Nauka , 1974. - Példányszám 169 000 példány. - Val vel. 197
  15. ↑ Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V. Emissziós elektronika . - M . : Nauka, 1966. - S. 564.  (elérhetetlen link)
  16. ↑ Fowler, 1931 , pp. 45-56.
  17. ↑ Voronchev T. A., Sobolev V. D. Az elektrovákuum technológia fizikai alapjai. - M .: Felsőiskola, 1967. - p. 217-220
  18. ↑ Lukirsky, 1933 .
  19. ↑ Lukjanov, 1948 .
  20. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. A fizika alapjai. 2. kötet - M .: Nauka , 1974. - Példányszám 169 000 példány. - Val vel. 336
  21. ↑ Kireev P. S. Félvezetők fizikája. - M .: Felsőiskola , 1975. - Példányszám 30 000 példány. - Val vel. 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). "A fény hatása a szelénre elektromos áram áthaladása során". Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0
  24. ↑ TSB, FOTÓVEZETŐSÉG
  25. ↑ Fotovoltaikus hatás - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból . 
  26. ↑ Akimov I. A., Cherkasov Yu. A., Cherkashin M. I. Érzékenyített fotoelektromos hatás. - M . : Nauka, 1980. - S. 384.
  27. ↑ 1 2 Tauc Ya. Foto- és termoelektromos jelenségek félvezetőkben. - M. : IL, 1962. - S. 141.
  28. ↑ Klimov A. N. Atommagfizika és atomreaktorok. - M . : Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
  29. ↑ Kvantumelektronika. Kis enciklopédia. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1969. - S. 431.
  30. ↑ Fiz. Fordulat. Lett. 102, 163002 (2009): Extrém ultraibolya lézer gerjeszti az atomóriás rezonanciát
  31. ↑ Felfedezték a röntgensugárzás klasszikus fotoelektromos hatásának korlátait | Nanotechnológia Nanonewsnet . Letöltve: 2009. április 27. Az eredetiből archiválva : 2009. április 28..

Linkek

Irodalom

  • Lukirsky P. I. A fotoelektromos hatásról. — L.; M.: Állam. tech.-elmélet. kiadó, 1933. - 94 p.
  • Lukyanov S. Yu. Fotocellák. - Moszkva; Leningrád :: Kiadó és 2. típus. Kiadó Akad. A Szovjetunió tudománya, 1948. - 372 p.
  • Ryvkin SM Fotoelektromos jelenségek félvezetőkben. - M. : Fizmatlit, 1963. - 494 p.
  • Fowler RH Tiszta fémek fotoelektromos érzékenységi görbéinek elemzése különböző hőmérsékleteken // Phys. Fordulat. - 1931. - 1. évf. 38.
  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban