Quantum свойства на светлина
Заедно със законите на топлинното излъчване в края на XIX. Тя е била открита оптичен феномен, не се вписва в рамките на законите на класическата физика. Това явление на фотоелектричния ефект, или просто фотоелектричния ефект.
Фотоелектрически ефект или фотоелектричния ефект се нарича емисията на електрони от повърхността на твърди вещества и течности от светлината. Йонизация на атомите газове и молекули от светлина нарича фотойонизация.
Това явление се наблюдава от наблюдаваше 1887 херца превишаване искроуловителя между цинкови топки, забеляза следното: облъчване на един от електродите мъниста ултравиолетови лъчи води до искра при по-ниско напрежение между електродите. През 1888 - 1889 година. Български учен AG Столетов проведе подробно проучване на фотоелектричния ефект и формулира своите закони.
За тази цел той изградена инсталация, състояща се от поредица включени в схемата на батерията на галванометър G и кондензатор, една плоча от които е метална мрежа (фиг. 2.1). Светлината прониква през мрежата, инцидента върху твърдата кондензатор плоча. В този случай, галванометър ток се записва. Освен това, на ток е по-висока, толкова по-голяма осветление плоча. СТОЛЕТОВ също показа, че светлината, излъчвана от повърхността на вафлата отрицателни заряди. Беше очевидно, тъй като появата на тока се наблюдава само при осветяване с отрицателен заряд плоча.
Фиг. 2.1. Шофиране опит Stoletova фиг. 2.2. Шофиране опит Ленард и Thomson
През 1899 G. F. Lenard и J .. J. Thomson измерва специфичен заряд на частиците, като по този начин те са намерили, че отрицателно заредени носители са електрони. Те предложи усъвършенстван инструмент за изследване на фотоелектричния ефект (Фиг. 2.2).
Електродите се поставят в специален резервоар, от който се евакуира въздух. Чрез кварцов прозорец К катод, изработен от разследвани материал, осветен от светлина. Под влияние на светлината от повърхността на катода, електрони са нокаутира и ако между катода и анода напрежение се прилага, електрони могат да достигнат анода. Фототока резултат от това, записани галванометър G. напрежение между катода и анода може да се променя с помощта на потенциометър P.
Чрез промяна на напрежението, може да се получи на волт-амперна характеристика (CVC) - (. Фигура 2.3) зависимостта на фототока и на напрежението между електродите U. За да се получи точна крива, измерванията трябва да се правят при постоянна светлина поток F.
От известно напрежение, ток престава да се увеличи - фототок достигне насищане. Насищане ток се наблюдава, когато всички електрони, изхвърлени от катода под въздействието на светлина, да стигнат до анода.
фототок разлика от нула при нулево напрежение показва, че излизането от катода електрони имат определена скорост. Ако скоростта е достатъчно високо, електроните могат да достигнат до анода сам. За да се предотврати проникване на електроните на втория електрод, който е да се предотврати появата на фототока, е необходимо да се прилага обратно напрежение Уз. наречен "забавяне". Чрез измерване на "забавяне" напрежение, то е възможно да се намерят максималните електроните скорост изхвърлени от повърхността на катода:
където V, т и д - съответно скорост, маса и отговаря на електрон.
Фиг. 2.3. характеристика на ток напрежение на фототока
Доста е изненада за учените, които са изследвали това явление е фактът, че максималната скорост на електроните не зависи от интензитета на светлината, и зависи от неговата честота - под влиянието на синя светлина може да се получи по-бързи електрони, отколкото под червената светлина. Класически концепции на физиката не може да го обясни - това е смятало, че колкото по-ярка светлина, толкова по-голяма от скоростта на електроните изхвърля от повърхността. Противно на това мнение, е само първия закон на фотоемисионна. Максималната начална скорост на фотоелектроните се определя светлина честота и не зависи от неговата интензивност.
Тъй като честотата на светлината определя максималната кинетична енергия на електрона, когато стойността на честота ще варира забавящия напрежение. Фиг. 2.3 показва, че когато честотата се променя две криви със същия насищане текущата стойност пресичат хоризонталната ос в различни точки - Uz1 и Uz2.
Този закон може да се обясни само като се позовава на квантовата природа на светлината. Светлина, падаща върху повърхността на катода, е поток от частици кванти (фотони). Всеки квантовата когато сблъсък с повърхност, той прехвърля своята енергия. Въпреки това, енергията на няколко фотони не се натрупва по въпроса, само за да "хвърлят" в пространството на един електрон с кинетична енергия, от няколко фотони. Стимулирането на няколко енергия кванти (две, три, много рядко - четири или повече) е възможно само при използване на източник на светлина с възбуждане с висока плътност. Така свойства на радиация са мощни лазери. Под влиянието на лазерното лъчение се наблюдава multiphoton фотоелектричния ефект. Енергията, използвана за избиване всеки на електрона в този случай е равна на E = NH # 957; с п - брой на интегрируеми размер.
Всяка фотон да се освободят от повърхността не повече от един фотон или неговата енергия се абсорбира само от повърхността и влиза енергията на термични вибрации на решетката. Това означава, че фототок е пропорционален на броя на фотоните в лек поток, или с други думи: Броят на фотоелектроните освобождават от катода за единица време е пропорционална на интензитета на светлината, така че е възможно да се формулира втория закон на фотоемисионна.
Тази функция също въздейства чисто квантов характер и не може да се обясни, ако вземем предвид светлината като непрекъсната вълна. Ясно е, че има известен брой фотони инцидент върху повърхност, не е възможно да се получи ток е по-голям от т.нар насищане ток (Ir на фиг. 2.3). По този начин, насищане на фототока пропорционална на излъчване катод (фиг. 2.3 насищане ток за криви F1 и F2 има различна стойност).
В допълнение, фотоелектричния ефект - процесът е почти мигновен. Това означава, че токът във веригата почти мигновено записва (т = 10 -9 в) в контакт с лек поток към катода, въпреки че по класически представяния вълни, енергията на светлинния поток постепенно да се натрупват на повърхността на материала и след известно време, като се фокусира върху някои от електрони, ги принуждава да напуснат района. От гледна точка на квантовата предаване на енергия от електрони фотона на настъпва мигновено като сблъсък на две тела.
Всички експериментални данни са били събрани и обяснени в рамките на единна теория на Albertom Eynshteynom. Те получена енергия уравнение за външно фотоелектричния ефект се записва за единична фотон и един електрон:
Енергията на всеки фотон светлина се консумира за извършване на работата функция, останалата част от енергията, получава се подпечатва с повърхността на материала под формата на електронен кинетична енергия. Vmax съответства на тези електрони, които са на повърхността на материала. Очевидно е, че електроните се намират по-дълбоко, ако те могат да се откъснат от повърхността ще имат по-ниска скорост, защото им чукат нужда бólshaya енергия.
Параметър работа AO изход. в уравнение (2.2), показва какво енергия трябва да бъде изразходвана за преодоляване на капацитета за провеждане на електроните в материята. Функцията на работа се определя от химичната природа (за всяко вещество, той има своя собствена стойност) и състоянието на повърхността на пробата в случай на твърди вещества. окисляване или повърхностно замърсяване на всяко вещество на това може значително да повлияе на способността на електрон да напусне повърхността.
Поради фотоелектричния важно дали се преодолее силата провеждане на електрона на повърхността, тя ще бъде от решаващо значение стойност на квант светлина енергия инцидент на повърхността. В тази връзка, на третия закон на фотоемисионна гласи:
За всяко вещество, има червен ръб на фотоелектричния ефект, т.е. минимална честота # 957; 0 светлина, в която все още е възможно фотоемисионна. честота # 957; 0 се определя от функцията работа и по този начин зависи от химическата природа на веществото и състоянието на повърхността.
За повечето метали, AO = 2 ÷ 6 ЕГ. Ние изрази Einstein уравнение на светлина честота # 957; 0. при което електрон разстояние от веществото има нулева скорост (и следователно нула кинетична енергия):
По този начин, на честотата на червената граница, могат да излязат извън видимия диапазон. се наблюдава в метали фотоелектричния ефект е гарантиран чрез действието на ултравиолетова или рентгенови лъчи. Стойността на функцията на работа може да се определи, като се приеме, че енергията на фотон е напълно изразходван.
Има два вида на фотоелектричния ефект: вътрешни (вливащи се в полупроводници или изолатори) и клапан (възможно само на границата на две полупроводници или полупроводникови и метални).
Вътрешният фотоелектричния ефект е, че електроните в рамките на полупроводника или диелектрик подаване свързани състояния в наличност без отклонение в посока навън. Това означава, че електроните, които в нормално състояние са свързани с техните ядра стават безплатни. В резултат, концентрацията на носител в тялото се увеличава, което води до vozniknoveniyufotoprovodimosti (повишаване на електропроводимостта на полупроводника или диелектрик, когато е осветен) или EMF вид. Valve фотоелектричния ефект е един вид вътрешен фотоефект.
слънчеви клетки работят на базата на фотоелектричния ефект - радиационни детектори, които преобразуват енергията на тази радиация в електрическа енергия. Modern полупроводникова технология предлага широк набор от различни фотоволтаични клетки, предназначени за различни цели - от прости до сложни записване движение устройства за превръщане на слънчевата енергия в електрическа или изображения инфрачервено лъчение (т.нар очила за нощно виждане).