Фотаэфект

ФотаэфектБутиков Е. И. Оптика. — М.: Высшая школа, 1986. — С. 456−466. — гэта выпусканне электронаў рэчывам пад дзеяннем святла (і, наогул кажучы, любога электрамагнітнага выпраменьвання). У кандэнсаваных рэчывах (цвёрдых і вадкіх) вылучаюць вонкавы і ўнутраны фотаэфект. Пры вонкавым фотаэфекце электроны вызваляюцца светам з павярхоўнага пласта рэчыва і пераходзяць у іншае асяроддзе, часцей за ўсё ў вакуум. Пры ўнутраным фотаэфекце аптычна ўзбуджаныя электроны застаюцца ўнутры асвячаемага цела, не парушаючы электрычную нейтральнасць апошняга. Для абгрунтавання гіпотэзы фатонаў асноўнае значэнне мае з’ява вонкавага фотаэфекту.

Законы фотаэфекту:

Першы закон фотаэфекту: Сіла фотатоку прама прапарцыйная шчыльнасці светлавога патоку.

Другі закон фотаэфекту: Максімальная кінетычная энергія электронаў, што выбіваюцца святлом, лінейна ўзрастае з частатой святла і не залежыць ад яго інтэнсіўнасці.

Трэці закон фотаэфекту: Для кожнага рэчыва існуе чырвоная мяжа фотаэфекту, г.зн. найменшая частата святла  (або найбольшая даўжыня хвалі ), пры якой фотаэфект яшчэ магчымы, і калі  то фотаэфект ужо не адбываецца.

Тэарэтычнае тлумачэнне гэтых законаў даў у 1905 г. А. Эйнштэйн. Паводле Эйнштэйна, электрамагнітнае выпраменьванне ўяўляе сабой паток асобных квантаў (фатонаў) з энергіяй  кожны, дзе h — пастаянная Планка. Пры фотаэфекце частка электрамагнітнага выпраменьвання ад паверхні металу адбіваецца, а частка пранікае ўнутр паверхневага пласта металу і там паглынаецца. Паглынуўшы фатон, электрон атрымлівае ад яго энергію і, здзяйсняючы работу выхаду , пакідае метал:

дзе  — максімальная кінетычная энергія, якую мае электрон пры вылеце з металу.

 Гісторыя адкрыцця 
У 1839 годзе Аляксандр Бекерэль назіраў з’яву фотаэфекту ў электраліце.

У 1873 годзе Уілаўбі Сміт выявіў, што селен з’яўляецца фотаправадніком. Вонкавы фотаэфект адкрыў у 1887 годзе Генрых Герц. Пры працы з адкрытым рэзанатарам ён заўважыў, што калі пасвяціць ультрафіялетам на цынкавы разраднік, то праходжанне іскры прыкметна палягчаецца.

Даследаванні фотаэфекту паказалі, што насуперак класічнай электрадынаміцы энергія вылятаючага электрона заўсёды строга звязана з частатой падаючага выпраменьвання і практычна не залежыць ад інтэнсіўнасці апрамянення.

У 1888—1890 гадах фотаэфект сістэматычна вывучаў рускі фізік Аляксандр Сталетаў, які апублікаваў 6 прац. Ён зрабіў некалькі важных адкрыццяў у гэтай галіне, у тым ліку вывеў першы закон вонкавага фотаэфекту. Яшчэ Сталетаў прыйшоў да высновы, што «разраджаючым дзеяннем валодаюць, калі не выключна, то з велічэзнай перавагай перад іншымі промнямі, промні самай высокай пераломлівасці, што адсутнічаюць у сонечным спектры»; гэта значыць, што ён ушчыльную падышоў да высновы пра існаванне чырвонай мяжы фотаэфекту.

У 1891 годзе Эльстар і Гейтэль пры вывучэнні шчолачных металаў дашлі да высновы, што чым вышэйшая электрастаноўчасць металу, тым ніжэйшая межавая частата, пры якой ён робіцца фотаадчувальным. Томсан у 1898 годзе эксперыментальна ўсталяваў, што струмень электрычнага зараду, што выходзіць з металу пры вонкавым фотаэфекце, уяўляе сабой струмень адкрытых ім раней часціц (пазней названых электронамі). Таму павелічэнне фотатоку з ростам асветленасці патрэбна разумець як павелічэнне ліку выбітых электронаў з ростам асветленасці.Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика // Общий курс физики, часть 1.


Фотаэфект быў растлумачаны ў 1905 годзе Альбертам Эйнштэйнам (за што ў 1921 годзе, праз намінацыю шведскім фізікам Карлам Вільгельмам Азеенам, атрымаў Нобелеўскую прэмію) на аснове гіпотэзы Макса Планка пра квантавую прыроду святла. У працы Эйнштэйна змяшчалася важная новая гіпотэза — калі Планк у 1900 годзе выказаў здагадку, што святло выпраменьваецца толькі квантаванымі порцыямі, то Эйнштэйн ужо лічыў, што святло і існуе толькі ў выглядзе квантаваных порцый. З закона захавання энергіі, калі лічыць святло патокам часціц (фатонаў), вынікае формула Эйнштэйна для фотаэфекту:

дзе  — т.зв. работа выхаду (мінімальная энергія, неабходная для выдалення электрона з рэчыва),  — максімальная кінетычная энергія электрона,  — частата падаючага фатона з энергіяй .

 Вонкавы фотаэфект 

Вонкавым фотаэфектам (фотаэлектроннай эмісіяй) называецца выпусканне электронаў рэчывам пад дзеяннем электрамагнітных выпраменьванняў. Электроны, якія вылятаюць з рэчыва пры вонкавым фотаэфекце, называюцца фотаэлектронамі, а электрычны ток, які ўзнікае пры іх упарадкаваным руху ў вонкавым электрычным полі, называецца фотатокам.

Фотакатод — электрод вакуумнага электроннага прыбора, які непасрэдна падвяргаецца ўздзеянню электрамагнітных выпраменьванняў, і адкуль выбіваюцца электроны пад дзеяннем гэтага выпраменьвання.

Залежнасць спектральнай адчувальнасці ад частаты або даўжыні хвалі электрамагнітнага выпраменьвання называюць спектральнай характарыстыкай фотакатода.

 Квантавы выхад 
Важнай колькаснай характарыстыкай фотаэфекту з’яўляецца квантавы выхад Y — колькасць эмітаваных электронаў у разліку на адзін фатон, які падае на паверхню цела. Велічыня Y вызначаецца ўласцівасцямі рэчыва, станам яго паверхні і энергіяй фатонаў. Квантавы выхад фотаэфекту з металаў у бачнай і бліжняй УФ-абласцях Y < 0,001 электрон / фатон. Гэта звязана перш за ўсё з малою глыбінёй выхаду фотаэлектронаў, якая значна меншая за глыбіню паглынання святла ў метале. Большасць фотаэлектронаў рассейвае сваю энергію да падыходу да паверхні і губляе магчымасць выйсці ў вакуум. Пры энергіі фатонаў каля парога фотаэфекту большасць фотаэлектронаў узбуджаецца ніжэй за ўзровень вакууму і не дае ўкладу ў фотаэмісійны ток. Акрамя таго, каэфіцыент адбівання ў бачнай і бліжняй УФ-абласцях вялікі, і толькі малая частка выпраменьвання паглынаецца ў метале. Гэтыя абмежаванні часткова здымаюцца ў дальняй УФ-вобласці спектру, дзе Y дасягае велічыні 0,01 электрон / фатон пры энергіі фатонаў E > 10 эв.

 Прасцейшая схема для выяўлення фотаэфекту 
міні|450x450пкс|Малюнак 1. Схема для вывучэння знешняга фотаэфекту
Вонкавы фотаэфект даследуюць на ўстаноўцы, прадстаўленай на мал. 1.Калитеевский Н. И. Волновая оптика. М.: Высшая школа, 1978. С. 360−371. Два электроды (анод і катод) змешчаны ў вакууміраваны балон. Ад вонкавай крыніцы святла асвятляюць катод, выраблены з доследнага матэрыялу. Паміж анодам і катодам прыкладваюць рознасць патэнцыялаў (плюс на анодзе). Электроны, эмітуемыя ў вакуум з паверхні катода з прычыны фотаэфекту, перамяшчаюцца ў вакууме пад дзеяннем электрычнага поля да анода. Ток у ланцугу вымяраюць амперметрам. Залежнасць фотатоку  ад напружання паміж электродамі U (вольт-амперная характарыстыка), якая адпавядае розным значэнням інтэнсіўнасці I запаленага святла, прыведзена на мал. 2.
міні|316x316пкс|Малюнак 2. Залежнасць фотатоку ад напружання
Характарыстыка здымаецца пры нязменнай частаце святла . Відаць, што з павелічэннем U фотаток узрастае і пры пэўным напружанні дасягае насычэння. Спадзісты ход крывых паказвае на тое, што электроны вылятаюць з катода з рознымі скарасцямі. Максімальнае значэнне току  (фотаток насычэння) вызначаецца такім значэннем U, пры якім усе электроны, выпусканыя катодам, дасягаюць анода:

дзе е − зарад электрона, n − лік электронаў, выпусканых катодам у адзінку часу.

З ВАХ вынікае, што пры  фотаток не знікае. Такім чынам, электроны, выбітыя святлом з катода, валодаюць некаторай пачатковай скорасцю V, а значыць, і адрознай ад нуля кінетычнай энергіяй. Частка электронаў дасягае анода і без прыкладання знешняга электрычнага поля. Для таго каб фотаток прыняў нулявое значэнне, паміж анодам і катодам неабходна прыкласці затрымліваючае напружанне  (адмоўнае). Пры такім напружанні нават электронам, якія валодаюць пры вылеце з катода найбольшым значэннем скорасці , не ўдаецца дасягнуць анода. Такім чынам, можам запісаць, што:

дзе m − маса электрона,  − максімальная скорасць электрона.

 Літаратура 

 Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.
 Калитеевский Н. И. Волновая оптика. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1978.
 Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1980.
 Ландсберг Г. С. Оптика. Изд. 5-е. М.: Наука, 1976.
 Руководство к лабораторным занятиям по физике / под ред. Л. Л. Гольдина. Наука, 1973.
 Физический практикум / под ред. Г. С. Кембровского. Мн., 1986.

 Спасылкі 
 Фотаэлектрычны эфект

Катэгорыя:Квантавая механіка
Катэгорыя:Сонечная энергія
Катэгорыя:Электрадынаміка