Efect fotoelectric - școală de fizică

Arborele genealogic al Căii Lactee

Control complet integrat al nanodiamantelor

Un pic mai aproape de soare

Distanțe față de stele

Ceea ce face strălucirea stelelor

Stradă cu sens unic pentru electroni

Sute de exemplare ale lui Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica găsite într-un nou număr

Sistemul nostru solar a fost format în mai puțin de 200.000 de ani

Sănătos pentru Marte

Efect fotoelectric

Sub termenul efect fotoelectric (de asemenea efect fotoelectric sau scurt Efect foto) sunt rezumate trei procese strâns legate, dar diferite ale interacțiunii fotonilor cu materia. În toate cele trei cazuri un electron iese dintr-o legătură - de ex. B. într-un atom sau în banda de valență sau în banda de conducere a unui solid - dizolvat prin absorbția unui foton. Energia fotonului trebuie să fie cel puțin la fel de mare ca energia de legare a electronului.

Există trei tipuri de efecte fotoelectrice:

Cand efect fotoelectric extern (de asemenea Fotoemisiune sau Efect de ceara Hall) se referă la eliberarea electronilor de pe o suprafață semiconductoare sau metalică (vezi fotocatodul) prin iradiere. Acest efect a fost descoperit în secolul al XIX-lea [1] și interpretat pentru prima dată în 1905 de Albert Einstein, unde a introdus termenul cuantică ușoară.
efect fotoelectric interior apare la semiconductori. Există două cazuri:
1. Cand Fotoconducție denotă creșterea conductivității semiconductoarelor datorită formării perechilor electron-gaură care nu sunt legate între ele.
2. Bazându-se pe aceasta, efect fotovoltaic conversia luminii în energie electrică.
Sub Fotoionizarea (de asemenea efect foto atomic) În cele din urmă, se înțelege ionizarea atomilor sau moleculelor individuale prin iradiere cu lumină de frecvență suficient de mare.

Efect fotoelectric extern

Eliberarea purtătorilor de sarcină de pe o suprafață metalică goală în electroliți de către lumină a fost observată pentru prima dată în 1839 de Alexandre Edmond Becquerel în așa-numitul efect Becquerel.

În 1886, Heinrich Hertz a reușit să demonstreze influența radiației ultraviolete (UV) asupra suprafețelor metalice într-o scânteie. [2] El a observat că lumina ultravioletă emisă de o „scânteie primară” A crește lungimea unei a doua scântei B. Lungimea lui B depindea reciproc de distanța dintre scântei, diferiți absorbanți pentru ultraviolete (inclusiv cei care sunt transparenți în domeniul spectral vizibil) au redus scânteia. Hertz nu a putut dovedi că lumina vizibilă a influențat lungimea scânteii. Explicația acestor observații este că lumina ultravioletă scoate electronii din electrozii spațiului de scânteie, ceea ce duce apoi la o trecere chiar și la o intensitate mai mică a câmpului electric, deoarece funcția de lucru nu trebuie să fie utilizată mai întâi.

Wilhelm Hallwachs, apoi asistent al lui Heinrich Hertz, a efectuat alte investigații sistematice (de aici și numele Efect de ceara Hall). A arătat z. B. cu un „electroscop cu frunze de aur” (vezi figura din dreapta) că o placă metalică ar putea fi încărcată electric iradând-o cu o lampă arc. [3] [4]

Philipp Lenard a fost primul care a investigat efectul fotoelectric într-un vid ridicat. [5] În 1899 a reușit să determine sarcina specifică a acestora prin devierea purtătorilor de sarcină în câmpul magnetic și, astfel, să îi identifice ca electroni. El a descoperit dependențele de frecvență și iradiere descrise mai jos. Albert Einstein a prezentat în 1905 în § 8 din lucrarea sa Despre un punct de vedere euristic privind producția și transformarea luminii, pentru care a primit premiul Nobel pentru fizică în 1921, explicația corectă a efectului. [6] Robert Andrews Millikan a reușit să confirme din 1912 până în 1915 cu ajutorul metodei câmpului opus (vezi mai jos) că factorul de proporționalitate al ecuației lui Einstein este de acord cu cuantumul de acțiune deja cunoscut al lui Planck. [7]

Metoda câmpului opus

Metoda câmpului opus, una dintre diversele metode de măsurare a efectului fotoelectric, este u. A. util pentru experimentele demonstrative privind efectele fotoelectrice externe în școli și universități.

O gamă îngustă de lungimi de undă este filtrată de la lumina unei lămpi cu vapori de mercur printr-un filtru de interferență sau un monocromator și este grupată (posibil printr-un obiectiv) pe catod (roșu în imagine) al unei fotocelule de vid. Este necesar un vid pentru a proteja suprafața fotocatodului de oxidare, dar mai presus de toate, astfel încât calea liberă medie a electronilor care au scăpat este suficientă pentru a ajunge la anodul opus, adesea în formă de inel. O tensiune $ U_0 $ poate fi aplicată între cei doi electrozi, iar actualul $ I_ \ mathrm (U_0) $ poate fi măsurat folosind un ampermetru sensibil. O descriere mai detaliată a experimentului poate fi găsită de ex. B. în lucrarea menționată de Millikan [7] sau într-un scenariu de stagiu. [A 8-a]

Dacă catodul este iradiat cu lumină cu o lungime de undă suficient de scurtă, electronii sunt „knock-out” acolo. Datorită energiei lor cinetice $ E_ \ mathrm $, acestea se îndreaptă spre anod. Fotocelulă devine sursa de electricitate și cea care curge Fotocurent $ I_ \ mathrm (0) $ poate fi măsurat cu un ampermetru sensibil. Dacă acum se aplică o contra tensiune $ U_0 $, electronii care ajung la anod și duc la un fotocurent trebuie să fi depășit câmpul electric generat în plus față de funcția de lucru $ W_K $ de la catod.

Contra tensiunea $ U_0 (f) $, din care nu mai curge fotocurent, poate fi determinată pentru frecvențe diferite $ f $ ale luminii; La această tensiune, diferența de potențial $ E_ \ mathrm = e \ cdot U_0 $, pe care trebuie să o depășească electronii (sarcina electrică $ e $), este egală cu energia cinetică maximă a electronilor $ E_ \ mathrm $ după ieșirea din catod. Dacă se presupune că energia luminii este transferată doar către electroni prin cantități de energie cu energia $ E = h \ cdot f $ (cu constanta de acțiune a lui Planck $ h $), se poate deriva din panta liniei drepte măsurate $ e \ cdot U_0 (f) $ determină cuantumul acțiunii $ h $ (vezi și Millikan [7]). Funcția de lucru $ W_K $ poate fi de asemenea determinată.

Determinarea H și funcția de lucru

Folosind exemplul de zinc (figura din dreapta), panta din diagramă rezultă cu ajutorul triunghiului pantei

aproximativ cuantumul de acțiune al lui Planck. Intercepția axei y a liniei întrerupte corespunde funcției de lucru; în cazul zincului, această valoare este citită ca aprox. (-) 4,3 eV. Adevărata valoare este 4,34 eV.

Probleme de interpretare în contextul prezentării valurilor

În experimentele descrise tocmai, se pot face următoarele observații:

Energia cinetică a electronilor care ies din fotocatod nu depinde de iradiere, ci de culoarea spectrală a luminii, adică de lungimea de undă $ \ lambda $ sau de frecvența $ f $ .
Energia cinetică a acestor fotoelectroni crește liniar cu frecvența luminii, începând cu o frecvență minimă.
Lungimea de undă maximă sau frecvența minimă la care apar electronii depinde de materialul suprafeței catodului, vezi funcția de lucru.
Eliberarea electronilor începe practic imediat când lumina cade și se termină la fel de repede după sfârșitul iradierii.
Fotocurentul electronilor este proporțional cu fluxul de radiații dacă toți electronii emiși sunt prinși de un anod suficient de pozitiv.

Cu excepția ultimei observații, toate relațiile găsite contrazic noțiunea clasică a luminii ca fenomen de undă. Conform acestui fapt, energia unei unde depinde numai de amplitudinea acesteia, dar nu și de frecvența acesteia. Astfel, energia cinetică a electronilor ar trebui să scadă odată cu scăderea iradianței. Efectul ar trebui să apară apoi cu o întârziere, deoarece transferul de energie necesară pentru eliberarea electronilor durează mai mult. În loc de o frecvență minimă, ar fi de așteptat, conform conceptului clasic, că, cu frecvența descrescătoare, crește doar timpul până când un electron a colectat suficientă energie luminoasă.

Interpretarea și semnificația fenomenului

Fizicieni precum Isaac Newton presupuseseră deja că lumina constă din particule, așa-numiții corpusculi. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, însă, ideea particulelor de lumină era considerată învechită, deoarece electrodinamica lui Maxwell înțelegea lumina ca o undă electromagnetică și, în conformitate cu aceasta, experimentele de interferență au demonstrat fără îndoială caracterul de undă al luminii.

Explicația lui Einstein a efectului fotoelectric de către particulele de lumină în 1905 a fost o ipoteză îndrăzneață în acest context. Baza a fost ipoteza radiației Planck din 1900, potrivit căreia lumina constă dintr-un flux de particule, Fotoni, a cărei energie $ E $ este produsul frecvenței $ f $ a luminii și cuantumul de acțiune al lui Planck $ h $ ($ E = h \ cdot f $). Cu ajutorul acestei ipoteze, relația dintre frecvență și energia cinetică poate fi explicată mai întâi, iar toate observațiile experimentale suplimentare se bazează pe aceasta. [6]

Contradicția aparentă astfel constatată, că lumina arată comportamentul undelor în anumite experimente, dar comportamentul particulelor în altele (dualismul undă-particulă), a fost soluționată doar prin mecanica cuantică. Efectul fotoelectric a fost unul dintre experimentele cheie în stabilirea fizicii cuantice. Einstein a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1921 pentru explicarea efectului.

Odată cu dezvoltarea teoriei cuantice a luminii în anii 1960, a fost posibil să se explice efectul foto într-un mod semiclasic: o undă electromagnetică clasică interacționează cu detectorul cuantificat. Prin urmare, efectul foto nu este o dovadă clară a naturii cuantice a luminii.

Aplicații

Diverse dispozitive fizice, cum ar fi fotocelule și fotocatozi de fotomultiplicatori și tuburi de conversie a imaginii, precum și o metodă importantă de măsurare a suprafeței fizice, spectroscopia fotoelectronică, utilizează efectul fotoelectric. Pentru aceasta se folosesc metode de măsurare fotoelectrice.

Efect fotoelectric interior

Fotoconducție

Prin fotoconductivitate se înțelege creșterea conductivității electrice a materialelor semiconductoare datorită formării perechilor nelegate electron-gaură în timpul iradierii. Electronii sunt ridicați din banda de valență în banda de conducție energetică superioară prin intermediul energiei fotonilor, pentru care energia fotonului individual trebuie să corespundă cel puțin spațiului de bandă al semiconductorului iradiat. Deoarece dimensiunea intervalului de bandă depinde de material, lungimea de undă maximă a luminii până la care apare fotoconductivitatea diferă în funcție de semiconductor (arsenidă de galiu: 0,85 μm, germaniu: 1,8 μm, siliciu: 1,1 μm).

Spectrele fotoconductivității arată dependența conductivității electrice de energia (sau lungimea de undă) a luminii incidente. Conductivitatea crește semnificativ de la energia gap-ului de bandă, astfel încât gap-ul de bandă (direct) poate fi determinat în acest fel. Analiza detaliată a acestor spectre de fotoconductivitate, în combinație cu rezultatele altor studii, reprezintă o bază importantă pentru înțelegerea structurii benzii materialului utilizat (vezi și modelul benzii).

Dacă examinările se efectuează într-un câmp magnetic, se pot determina detalii suplimentare care altfel se suprapun inextricabil în efectele lor, dar sunt separate de câmpul magnetic. Exemple sunt efectul magneto-optic Kerr și efectul Hall, cu care se poate determina mobilitatea electronilor.

Monocromatorii sunt utilizați pentru a măsura dependența de lungimea de undă a fotoconductivității. Măsurătorile se efectuează de obicei în vid, de ex. B. pentru a evita benzile de apă (vezi spectroscopia în infraroșu) în infraroșul apropiat sau la temperaturi scăzute până la z. B. pentru a separa efectele câmpului magnetic de zgomot.

Fotoconductivitatea este utilizată în fotorezistoare, fototransistoare, fotodiode și senzori CCD (vezi și dioda pin și fotodioda avalanșă), care sunt utilizate la fabricarea unui număr mare de senzori de lumină.

În fotorezistoare și alte semiconductoare, purtătorii de încărcare generați de lumină pot persista o perioadă foarte lungă de timp (ore până la zile) chiar și după întunecare; acesta este denumit efectul foto de lungă durată (PPE pe scurt). fotoefect persistent).

Fototransistorii conțin joncțiuni PN fotosensibile. Amplifică curentul care apare în baza lor.

Pentru măsurători în domeniul spectral vizibil și în infraroșu, fotodiodele sunt de obicei operate ca fotoconductori într-un cvasi-scurtcircuit sau în intervalul de blocare - apoi furnizează un curent care este proporțional cu fluxul de radiație incident pe mai multe ordine de mărime.

Fotoconducția persistentă se observă în cristale unice de titanat de stronțiu la temperatura camerei. După expunere, concentrația de electroni liberi crește cu două ordine de mărime și rămâne ridicată timp de zile. [9]

Efect fotovoltaic

Efectul fotovoltaic se bazează și pe efectul fotoelectric intern. Perechile purtătoare de încărcare care apar în zona de încărcare spațială, adică la joncțiunea p-n a unei fotodiode, sunt separate în straturi p și n. Electronii intră în stratul n, găurile în stratul p și se generează un curent împotriva direcției de trecere a joncțiunii. Acest curent se numește fotocurent.

Fotodiodele de suprafață mare (celule solare) sunt utilizate pentru a converti energia radiantă a soarelui în energie electrică.

Fotoionizarea

Sunt atomii sau moleculele z. B. lipsit de un gaz prin radiația cu unde scurte a unuia sau mai multor electroni ai săi, se vorbește despre Fotoionizarea sau atomic sau efect foto molecular. Pentru aceasta, fotonii cu energii mult mai mari sunt necesare decât pentru slăbirea legăturii într-un solid. Acestea sunt conținute în radiații ultraviolete, cu raze X sau gamma.

Fotonul este absorbit și dă întreg Energia pentru un electron, aceasta este numită în mod obișnuit în fizica nucleară Efect foto desemnat. Acesta este z. B. exploatat în detectoare de radiații. În plus, efectul Compton contribuie și la fotoionizare, în care electronul preia doar o parte din energie, în timp ce restul energiei este emisă din nou ca un foton de lungime de undă mai mare.

Secțiunea transversală $ \ sigma $, adică probabilitatea apariției fotoionizării, depinde de energia fotonului $ E_ \ gamma $ și de numărul atomic $ Z $ al materialului:

$ \ sigma \ propto Z ^ 5E_ \ gamma ^ $

Prin urmare, este aproximativ proporțională cu puterea a cincea a numărului ordinal. Aceasta înseamnă că materialele cu un număr atomic ridicat absorb bine radiațiile X și radiațiile gamma. Plumbul ($ Z = 82 $) este, prin urmare, mai potrivit pentru ecranarea razelor X decât, de exemplu, aluminiu ($ Z = 13 $).

Pe măsură ce energia fotonului crește, secțiunea transversală scade, așa cum arată puterea negativă din formulă; Cu toate acestea, acest lucru se aplică numai atâta timp cât un număr constant de electroni din atom este disponibil pentru ionizare. De îndată ce energia fotonică atinge energia de legare a următoarei cochilii de electroni legați mai ferm, secțiunea transversală sare la o valoare corespunzător mai mare, din care apoi scade treptat din nou pe măsură ce energia crește. Acest lucru duce la structuri caracteristice în spectrul de absorbție, Marginile de absorbție. Energiile de legare a electronilor variază de la câțiva eV la aproximativ 100 keV în elemente cu un număr atomic ridicat.

Fotoionizarea aerului prin radiații ultraviolete de către ionizatori este utilizată pentru a-și crește conductivitatea și, astfel, pentru a disipa sarcinile electrostatice.

Măsurarea conductivității aerului a fost folosită pentru a dovedi pentru prima dată originea cosmică a unei părți a radioactivității naturale prin măsurarea acesteia în timpul ascensiunilor cu balon: radiația cosmică produce dușuri de particule ionizante și produse de spalare parțial radioactive.

Există, de asemenea, un efect foto nuclear, în care o cuantă gamma foarte mare de energie este absorbită în nucleul atomic și, cu o reacție nucleară, eliberează un neutron, un proton sau o particulă alfa. Aceasta este, de asemenea, cunoscută sub numele de reacție (γ, n), (γ, p) sau (γ, α).