Proprietățile cuantice ale luminii
Împreună cu legile radiației termice în XIX final. A fost descoperit un fenomen optic nu se încadrează în cadrul legilor fizicii clasice. Acest fenomen a efectului fotoelectric, sau pur și simplu efectul fotoelectric.
efect fotoelectric sau efect fotoelectric se numește emisia de electroni de la suprafața solidelor și lichidelor prin lumină. Ionizarea atomilor de gaz și molecule prin lumină numită fotoionizare.
Acest fenomen a fost observat urmărind parascântei 1887 Hertz Depășire între bile de zinc, a observat următoarele: iradierea unuia dintre electrozi Margele raze ultraviolete duce la o scânteie la o tensiune mai mică între electrozi. În 1888 - 1889 ani. om de știință român AG Stoletov a efectuat un studiu detaliat al efectului fotoelectric și a formulat legile sale.
În acest scop, el a construit instalație constând dintr-o serie inclusă în circuitul acumulatorului galvanometrului G și un condensator, dintre care o placă este o plasă metalică (fig. 2.1). Lumina pătrunde prin ochiurile, incidentul de pe placa de condensator solid. În acest caz, curentul galvanometrului este înregistrată. Mai mult decât atât, curentul a fost mai mare, cu atât mai mare placa de iluminare. Stoletov, de asemenea, a arătat că lumina emisă de plachetei de suprafață sarcini negative. Era evident, din moment ce s-a observat apariția curentului numai atunci când sunt iluminate placa cu sarcină negativă.
Fig. 2.1. Experiența de conducere Stoletova Fig. 2.2. Experiența de conducere Lenard și Thomson
În 1899 G. F. Lenard și J .. J. Thomson măsurată taxa specifică a particulelor, astfel, ei au descoperit că purtătorii încărcate negativ sunt electroni. Ei au propus un instrument avansat pentru studiul efectului fotoelectric (fig. 2.2).
Electrozii au fost plasate într-un rezervor special, din care este evacuat aerul. Prin fereastra de cuarț catodul K, realizat din materialul cercetat, iluminat de lumina. Sub influența luminii de pe suprafața catodului, electronii sunt eliminați, iar dacă între catod și anod tensiunea este aplicată, electronii pot ajunge la anod. Fotocurentul care rezultă din aceasta, galvanometru înregistrată G. Tensiunea între catod și anod poate fi modificat cu ajutorul unui potențiometru P.
Prin varierea tensiunii, puteți obține curent-tensiune caracteristică (CVC) - (. Figura 2.3), dependența fotocurentului I a tensiunii între electrozii U. Pentru a obține curba corectă, măsurătorile trebuie făcute la un F. flux luminos constant
Deoarece o anumită tensiune, curent încetează să crească - fotocurentul ajunge la saturație. Saturația curentă este observată când toți electronii evacuat din catod sub influența luminii, ajunge la anod.
diferența fotocurentul de la zero la tensiune zero indică faptul că plecarea de la catod, electronii au o anumită viteză. În cazul în care rata este destul de mare, electronii pot ajunge la anod singur. Pentru a împiedica pătrunderea de electroni la al doilea electrod, care este, pentru a preveni apariția fotocurentului, este necesar să se aplice o tensiune inversă Uzului. numita „întârziere“. Prin măsurarea tensiunii „retardare“, este posibil să se găsească electronii maxime de viteză evacuat din suprafața catodului:
în care V, m și e - respectiv viteza, masa și sarcina unui electron.
Fig. 2.3. Caracteristica curent-tensiune a fotocurentului
Destul de o surpriză pentru oamenii de știință, care au studiat acest fenomen a fost faptul că viteza maximă a electronilor nu depinde de intensitatea luminii, și depinde de frecvența - sub influența luminii albastre pot fi obținute de electroni mai repede decât în lumina roșie. Concepte clasice ale fizicii nu pot explica - se credea că de mai luminoasă, cu atât mai mare viteza electronilor ejectat din suprafață. Contrar acestui punct de vedere, este doar prima lege a photoemission. Viteza maximă de pornire a fotoelectronilor este definită frecvența luminii și nu este dependentă de intensitatea acesteia.
Since frecvența luminii determină energia cinetică maximă a electronului, atunci valoarea frecvenței va varia tensiunea de retardare. Fig. 2.3 arată că, atunci când frecvența este schimbat două curbe cu aceeași saturație valoarea curentă intersectează axa orizontală în puncte diferite - Uz1 și Uz2.
Această lege poate fi explicată doar prin bazându-se pe natura cuantică a luminii. incident de lumină pe suprafața catodului, este un flux de particule cuante (fotoni). Fiecare cuantic atunci când ciocnirea cu o suprafață, transferă energia. Cu toate acestea, energia mai multor fotoni nu se acumulează în această chestiune, doar pentru a „arunca“ în spațiul unui electron cu o energie cinetică a mai multor fotoni. Însumarea mai multe cuante de energie (de două, trei, foarte rar - patru sau mai multe) este posibilă numai atunci când se utilizează o sursă de lumină cu excitație de înaltă densitate. Astfel, proprietățile de radiații lasere puternice. Sub influența radiației laser se observă efectul fotoelectric multiphoton. Energia utilizată pentru lovirea fiecare electron în acest caz este egal cu E = nh # 957;, unde n - numărul cuantic integrabile.
Fiecare foton poate elibera de suprafata nu este mai mult de un foton sau energia este pur și simplu absorbită de suprafață și intră energia vibrațiilor termice ale rețelei. Aceasta este, fotocurentul este proporțională cu numărul de fotoni într-un flux de lumină, sau cu alte cuvinte: Numărul de fotoelectroni eliberate de catod pe unitatea de timp este proporțională cu intensitatea luminii astfel încât este posibil să se formuleze a doua lege a photoemission.
Această caracteristică, de asemenea, efecte de natură pur cuantică și nu poate fi explicată dacă luăm în considerare lumina ca un val continuu. Este clar că, având un anumit număr de fotoni incidente pe o suprafață, nu este posibil să se obțină curent este mai mare decât așa-numitul curent de saturație (Ir în fig. 2.3). Astfel, saturarea proporțională fotocurentul la iradianță catod (Fig. 2.3 curent de saturație pentru curbele F1 și F2 are o valoare diferită).
În plus, efectul fotoelectric - procesul este aproape instantanee. Aceasta înseamnă că, curentul din circuitul înregistrat aproape instantaneu (t = 10 -9 c) în contact cu fluxul luminos spre catod, deși în reprezentările undelor clasice, energia fluxului luminos treptat să se acumuleze la suprafața materialului și după ceva timp, concentrându-se pe unele dintre electroni, forțându-le să părăsească zona. Din punct de vedere al transferului de energie cuantică din fotonii de electroni are loc instantaneu ca ciocnirea a două corpuri.
Toate datele experimentale au fost colectate și explicate în cadrul teoriei unificate a Albertom Eynshteynom. Ei au derivat ecuația energetică pentru efectul fotoelectric extern se înregistrează pentru un singur foton si electron unic:
Energia fiecărui foton este consumat pentru a îndeplini funcția de lucru, porțiunea rămasă din energia devine ștampilate cu suprafața materialului sub formă de energie cinetică de electroni. Vmax corespunde acelor electroni care au fost pe suprafața materialului. Evident, electronii situate mai profund, în cazul în care se pot rupe departe de suprafata va avea un ritm mai lent, deoarece nevoia lor bate bóenergie lshaya.
Parametru de ieșire de locuri de muncă AO. în ecuația (2.2), indică ce energia trebuie să fie cheltuite pentru a depăși capacitatea de a deține electronii în materie. Funcția de lucru este determinat de natura chimică (pentru fiecare substanță, are propria sa valoare), iar starea suprafeței eșantionului în cazul substanțelor solide. Oxidare sau de suprafață contaminarea oricărei substanțe poate afecta în mod semnificativ capacitatea unui electron de a părăsi suprafață.
Din cauza fotoelectric important dacă învinge forța care deține electroni pe suprafață, aceasta va fi o valoare esențială a unui cuantum de incidente de energie lumina pe suprafata. În acest sens, a treia lege a photoemission prevede:
Pentru fiecare substanță, există marginea roșie a efectului fotoelectric, adică, frecvență minimă # 957; 0 în lumină, care este încă posibilă photoemission. frecvență # 957; 0 este determinată de funcția de lucru și deci depinde de natura chimică a substanței și starea suprafeței.
Pentru cele mai multe metale, AO = 2 ÷ 6 eV. Ne exprimăm ecuația lui Einstein de lumină incidență # 957; 0. la care electron în afara de substanța are o viteză nulă (și, deci zero, energia cinetică):
Astfel, frecvența limita roșu se poate situa în afara intervalului vizibil. Efectul fotoelectric se observă în metale este garantată prin acțiunea razelor ultraviolete sau raze-X. Valoarea funcției de muncă poate fi determinată presupunând că energia fotonica este complet epuizat.
Există două tipuri de efect fotoelectric: intern (care curge în semiconductori sau izolatori) și supapă (posibilă numai la limita a două semiconductori sau semiconductoare și metal).
Efectul fotoelectric intern este că electronii din interiorul semiconductoare sau dielectrice trece de la statele obligate în disponibilitatea fără plecare spre exterior. Acest lucru înseamnă că electronii, care, în starea normală au fost legați de nucleele lor devin liberi. Ca rezultat, concentrația purtătoare în interiorul corpului este crescut, ceea ce duce la vozniknoveniyufotoprovodimosti (crește conductivitatea electrică a semiconductorului sau dielectric când este aprins) sau aspectul CEM. Valve efect fotoelectric este un fel de efect fotoelectric intern.
Celulele solare functioneaza pe baza efectului fotoelectric - detectoare de radiații, care transformă energia acestei radiații în energie electrică. Tehnologia modernă semiconductor oferă o gamă largă de celule fotovoltaice diferite destinate pentru scopuri diferite - de la simplu la dispozitive complexe de mișcare înregistrator de conversie a energiei solare în radiații infraroșii electrice sau de formare a imaginii (ochelari de noapte viziune așa-numitele).