v — частота света [Гц]

А — работа выхода [Дж]

Е — кинетическая энергия [Дж]

Как было сказано в начале, только фотоны с определённой энергией могут выбить электрон из металла. Дело в том, что сначала энергия тратится на совершение работы (на доставание электрона из металла) и только потом на его разгон (кинетическую энергию). Поэтому, существует какое-то предельное значение частоты света, при которой происходит фотоэффект. Это то значение частоты, при которой энергии фотона хватает только на то, чтобы вытащить электрон из металла (совершить работу выхода), при этом на кинетическую энергию энергии фотона уже не хватает.

Частота, при которой фотоэффект прекращается, называется краснойграницейфотоэффекта

\(hv_{\begin{matrix} красная \\ граница \\ \end{matrix}} = А\), где:

h — постоянная Планка, равная \(6,6 \bullet 10^{- 34}\) [Дж·с]

\(v_{\begin{matrix} красная \\ граница \\ \end{matrix}}\) — частота света [Гц]

А — работа выхода [Дж]

Важно заметить, что может наступить ситуация, когда фотон не выбил электрон (если его частота меньше либо равна частоте красной границы). Но не может наступить ситуации, когда фотон выбивает 2 и более электронов. Даже самые энергичные фотоны могут выбивать только 1 электрон. Поэтому справедливо заметить, что N_{фотонов} ≥ N_{электронов}

График зависимости кинетической энергии вылетающих электронов от частоты падающих фотонов

Запирающее напряжение ― это напряжение, не позволяющее электронам покинуть фотокатод.

Если напряжение в цепи больше или равно запирающему напряжению, то электроны не могут достигнуть анода: даже если они покидают ненадолго фотокатод, сила электрического поля возвращает их в металл ― и фототока в цепи нет.

Запирающее напряжение определяется выражением \(eU_{зап} = Е_{кинетическая}\), где

e ― заряд электрона равный \(1,6 \bullet 10^{- 19}\) [Кл]

\(U_{зап\ }\)― запирающее напряжение [В]

\(Е_{кинетическая}\) ― кинетическая энергия фотоэлектрона [Дж]

Когда напряжение в цепи равно нулю \(U = 0\), а фотокатод облучается светом достаточной энергии, чтоб создавать фотоэффект, ― в сети есть ток, его вызывают выбиваемые светом электроны.

Когда напряжение в цепи равно запирающему напряжению \(U = U_{з}\) ― сила тока становится равной нулю, т. к. фототок прекращается.

Как видно из формулы, запирающее напряжение зависит только от кинетической энергии электронов, которая, в свою очередь, зависит от частоты света (но не интенсивности) и работы выхода.

Интенсивность светового потока — это количество фотонов, падающих на пластину в единицу времени.

Изменение интенсивности света не может повлиять на отдельные электроны (их скорость, энергию), зато может изменять количество выбитых электронов, или другими словами — фототок насыщения (фототок при условии, что каждый фотон выбивает электрон).

• Чем выше интенсивность, тем выше значение фототока насыщения.

• Чем ниже интенсивность, тем ниже значение фототока насыщения.

Однако, если частота света меньше либо равна частоте красной границы, фотоэффекта не произойдет независимо от интенсивности светового потока.

При необходимости найти энергию всего светопотока, достигающего пластины за 1 с, достаточно умножить энергию одного фотона на их количество: \(\sum E = hv \bullet N_{фотонов}\), где:

\(\sum E\) — энергия светопотока, достигшего пластину за 1 с [Дж]

h — постоянная Планка, равная 6,6 · 10^-34 [Дж · с]

v — частота света [Гц]

\(N_{фотонов}\) — количество фотонов, достигающих пластину за 1 с

что это такое, формулы, виды, применение

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) — это физический процесс, в котором электроны взаимодействуют со светом или любым другим электромагнитным излучением. В этой статье вы узнаете о физических основах фотоэлектрического эффекта. Мы также объясним три вида этого явления и два экспериментальных метода его обнаружения.

Фотоэлектрическое явление — один из тех эффектов, открытие которого стало результатом упорного труда и многочасовых лабораторных исследований многих ученых. До того как Альберт Эйнштейн объяснил этот эффект, введя понятие квантов, то есть порций энергии, многие исследователи, среди которых были Генрих Герц и Александр Столетов, тщательно изучали различные аспекты этого явления. По всей вероятности, никто из них не предполагал, какое практическое значение будет иметь их работа.

Простое объяснение фотоэффекта

Атомы или молекулы содержат связанные электроны. Когда свет попадает на молекулы или отдельные атомы, при определенных условиях возможно взаимодействие электронов со светом. Чтобы понять фотоэлектрический эффект, мы представляем свет как частицу (называемую фотоном). Фотон обладает энергией E, которую можно вычислить по частоте f света: E = h * f .

Здесь h — постоянная Планка. Эта энергия поглощается электроном. Вы можете представить этот перенос энергии как поглощение фотона электроном. Минимальная энергия, которую электроны должны поглотить, является их энергией связи, или, более точно, работой выхода W_A. Только после этого электрон может освободиться от атома или металла. Высвобожденные электроны могут быть измерены в виде электрического тока.

Виды фотоэффекта

Существует три различных разновидности фотоэлектрического эффекта, с которыми мы познакомим вас далее.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэлектрический эффект — это явление эмиссии электронов из металла под воздействием падающего электромагнитного излучения. Механизм явления заключается в том, что фотоны излучения передают свою энергию электронам, что приводит к их эмиссии за пределы металла. Максимальная кинетическая энергия электрона равна энергии фотона минус работа выхода. Работа выхода — это энергия связи электрона в металле, обычно порядка нескольких электрон-вольт.

Более подробное объяснение.

Когда фотоны попадают в металл или полупроводник, они передают свою энергию электронам. Часть энергии необходима для того, чтобы освободить электроны от атомной связи и позволить им уйти с поверхности металла (работа выхода W_A). Это взаимодействие называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Остаточная энергия служит для ускорения электронов. Энергетическое соотношение следующее: h * f = E_kin + W_A , где

где E_kin — это кинетическая энергия высвобожденных электронов. Поэтому кинетическая энергия фотоэлектрона описывается формулой: E_kin = h * f — W_A

Мы видим, что должна существовать граничная частота f_гр, выше которой электроны вообще не могут быть освобождены. Это следует из уравнения: h * f_гр = W_A и зависит от материала. Работа выхода для металлов обычно составляет несколько эВ.

Альберт Эйнштейн изучил внешний фотоэлектрический эффект с помощью квантования света. Таким образом, внешний фотоэлектрический эффект представляет собой важную веху в развитии квантовой механики.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэлектрический эффект также основан на передаче энергии фотонов электронам. Однако они не покидают материал, в котором находятся, а изменяют электронную оболочку в атоме. Это может привести к изменению проводимости материала и, следовательно, протеканию электрического тока.

Более подробное объяснение.

Внутренний фотоэффект возникает в полупроводниках — материалах, электропроводность которых меньше, чем у проводников, и больше, чем у изоляторов. Чтобы лучше понять его механизм, давайте вспомним зонную теорию проводимости. Электронные энергетические уровни в полупроводниках относятся к двум группам — валентной зоне и зоне проводимости. Эти зоны энергетически разделены возбужденной областью. Электроны с энергией в валентной зоне связаны в атомах и не участвуют в протекании электрического тока. Электроны с энергией, принадлежащей зоне проводимости, свободны и могут двигаться под действием приложенного напряжения, т.е. проводить электрический ток.

Изменение энергии электрона от энергии валентной зоны до энергии зоны проводимости при поглощении энергии фотона электромагнитного излучения называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.

В результате полоса проводимости обогащается свободным носителем отрицательного заряда — электроном, а валентная зона обогащается электронной дыркой, т.е. вакансией, оставленной электроном, которая также участвует в протекании электрического тока. Это увеличивает проводимость материала.

Для того чтобы электроны поднялись в полосу проводимости, энергия облученного света должна быть больше, чем ширина запрещённой зоны E_gap : h * f > E_gap . Ширина запрещённой зоны относится к разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости.

Полупроводник, состоящий из одного чистого материала, называется собственным полупроводником. В таких материалах число отрицательных носителей заряда в зоне проводимости — электронов — равно числу положительных зарядов в валентной зоне — дырок. На практике, однако, часто используются легированные полупроводники, т.е. обогащенные небольшим количеством другого материала. В зависимости от типа легирующего элемента различают два типа полупроводников: n-типа и p-типа. В полупроводнике p-типа преобладают дырки. Важно помнить, что речь идет только о носителях заряда, участвующих в проведении электричества, весь кристалл электрически нейтрален.

Внутренний фотоэффект также имеет место в солнечных батареях. Когда свет попадает на пограничный слой солнечного элемента (очень тонкая область на поверхности с электрическим полем), электроны высвобождаются из кристаллической связи и движутся в электрическом поле. Этот электрический ток может быть воспринят потребителем и вызывает фотонапряжение.

Молекулярный фотоэффект / атомный фотоэффект

Если облученные фотоны высвобождают электрон из отдельных атомов или молекул, они электрически заряжаются или ионизируются недостающим электроном. Это называется фотоионизацией и наблюдается, например, с помощью рентгеновских лучей. Для молекулярного фотоэлектрического эффекта требуется гораздо более высокочастотный свет, поскольку электроны прочно связаны в атомах.

Формула фотоэлектрического эффекта

Мы используем следующее соотношение для расчета физических величин: h * f = E_kin + W_A

Если свет обладает энергией, достаточной для выброса электронов, мы можем вычислить граничную частоту по следующей формуле: f_гр = W_A / h .

Используя формулу для кинетической энергии, мы определяем скорость освобожденных электронов по формуле:

Методы обнаружения фотоэффекта

Далее мы покажем вам два метода обнаружения фотоэлектрического эффекта и, следовательно, выхода электронов.

Метод встречного поля

В методе встречного поля металлический катод облучается монохроматическим светом с частотой f. Без приложенного напряжения можно обнаружить фототок. Если приложить противодействующее напряжение U_G так, чтобы катод был заряжен положительно, а анод — отрицательно, то электроны, высвобождаемые внешним фотоэлектрическим эффектом, замедляются. Необходимая для этого работа: W = e * U_G .

Если напряжение настолько велико, что электроны не достигают анода, то применяется следующее соотношение: Ekin = e * U_G.

Встречное поле полностью компенсирует кинетическую энергию электронов. Из этой зависимости мы можем определить скорость электронов. Метод встречного поля также дает нам возможность определить постоянную Планка h. При известной работе выхода, h можно найти из уравнения: h * f = e * U_G + W_A

Стержень с фотоэффектом

Мы можем воспроизвести фотоэлектрический эффект в эксперименте со стержнем из ПВХ и металлической пластиной, подключенной к электрометру. Если стержень отрицательно заряжен в результате трения, то он имеет избыток электронов. Металлическая пластина нейтральна, электрометр не отклоняется.

Если привести стержень в контакт с пластиной, то избыточный заряд в стержне уравновесится. В результате на пластине появляется избыток электронов, и электрометр показывает отрицательное значение.

Если облучать металлическую пластину лампой с парами ртути, электрометр становится положительным. Электроны высвобождаются из пластины под действием внешнего фотоэлектрического эффекта. В металлической пластине не хватает электронов.

Применение фотоэффекта

Сегодня внешний и внутренний фотоэлектрический эффект лежат в основе таких распространенных устройств, как фотоэлементы, солнечные батареи или ПЗС-матрицы.

Фотоэлемент.

Наиболее распространенным устройством, использующим внешнее фотоэлектрическое явление, является фотоэлемент. Первые фотоэлементы были разработаны еще в 1890-х годах и начали широко использоваться в первой половине 20-го века. Простейший фотоэлемент состоит из двух электродов, катода и анода, помещенных в вакуумную колбу.

Между электродами прикладывается напряжение так, чтобы катод был соединен с положительным полюсом питающего напряжения. Если электромагнитное излучение не попадает на катод, электрический ток в цепи не течет. Когда катод освещается излучением с энергией фотонов, превышающей работу выхода материала катода, электроны выбиваются из катода и мигрируют к аноду, вызывая протекание электрического тока. Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток.

Схемы, содержащие фотоэлемент, могут использоваться, например, для освещения уличных фонарей. Лампы загораются в сумерках. Механизм, заставляющий их светиться, реагирует на отсутствие света, то есть на прекращение протекания электрического тока в цепи, содержащей фотоэлемент. Пример такой схемы представлен на рис. 6.

Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток. В цепи находится электромагнит. Если через электромагнит проходит электрический ток, создаваемое магнитное поле притягивает рычаг выключателя, размыкая цепь лампы, и лампа выключается. Когда свет прерывается, электрический ток в цепи фотоэлемента прекращается, электромагнит выключается, цепь лампы замыкается, и лампа окончательно зажигается.

Фотоэлектронный умножитель.

Фотоумножители — это устройства, используемые для измерения света. Чаще всего они подключаются к сцинтиллятору, который представляет собой материал, поглощающий ионизирующее излучение (например, гамма- или бета-излучение) и испускающий видимый или ультрафиолетовый свет. Излучаемый свет поглощается фотоумножителем и преобразуется в электрический сигнал.

Сцинтиллятор в сочетании с фотоумножителем представляет собой детектор ионизирующего излучения, т.е. устройство, которое поглощает ионизирующее излучение и генерирует электрический сигнал в зависимости от поглощенного излучения.

Устройство фотоумножителя очень похоже на устройство вакуумного фотоэлемента. Его важнейшими элементами являются фотокатод, где происходит внешний фотоэлектрический эффект, и анод, где накапливается заряд. Кроме того, в области между катодом и анодом находится ряд электродов, задача которых — усилить заряд, то есть увеличить количество электронов, попадающих на анод. Эти электроды называются динодами. Все три типа электродов помещаются в сильное электрическое поле. Механизм работы фотоумножителя показан на рис. 8.

Фотоны света, испускаемые сцинтиллятором, достигают фотокатода, вызывая эмиссию электрона под действием внешнего фотоэлектрического явления. Электрон ускоряется в электрическом поле, что приводит к увеличению его кинетической энергии.

При столкновении с динодом электрон вызывает испускание нескольких вторичных электронов, которые также ускоряются и также умножаются при столкновении с другим динодом. Количество электронов увеличивается экспоненциально, так что конечный электрический сигнал, достигающий анода, может быть измерен.

Фотоумножители характеризуются высокой чувствительностью. Это означает, что их можно использовать для измерения света очень низкой интенсивности. В этом отношении они явно превосходят ПЗС-матрицы.

Фотоэлектрический (солнечный элемент).

Фотоэлектрический элемент — это устройство, в котором энергия фотона света преобразуется в электрическую энергию.

В солнечных батареях используются p-n-переходы. Фотоны, падающие на границу раздела полупроводников, вызывают выбивание электронов из валентного слоя в слой проводимости, т.е. образуется электронно-дырочная пара. Из-за пространственного распределения зарядов на p-n-переходе электроны диффундируют к полупроводнику n-типа, а дырки диффундируют к полупроводнику p-типа и остаются там. Накопление заряда создает разность потенциалов на границе раздела, т.е. электрическое напряжение. В этом процессе энергия солнечного света напрямую преобразуется в электрическую энергию. Поэтому он является отличным источником электрической энергии. Однако стоит помнить, что для хранения электрической энергии требуются батареи.

ПЗС-матрица.

ПЗС-матрица — это светочувствительный элемент, который вытеснил традиционную фотопленку, открыв путь к созданию и распространению цифровой фотографии. Матрица состоит из множества полупроводниковых пикселей размером около десятка квадратных миллиметров. Свет, падающий на полупроводниковый пиксель, приводит к выбиванию электрона из валентной зоны. На каждый пиксель наносится электрод для сбора и хранения заряда.

Размер заряда зависит от интенсивности света, освещающего пиксель. Сама ПЗС-матрица не различает цвета. Эта функция реализуется с помощью цветовых фильтров с тремя основными цветами — красным, зеленым и синим. Важным параметром для ПЗС является их квантовая эффективность, которая определяет, какой процент падающего света улавливается. Современные матрицы имеют квантовую эффективность 70%, что более чем в 10 раз выше, чем у традиционной фотопленки.

Пример задачи по фотоэффекту

Мы облучаем вольфрамовую пластину (работа выхода W_A = 4,6 эВ) монохроматическим светом с частотой f = 6,75 * 10¹⁵ Гц. Мы хотим узнать, достаточно ли энергии света для высвобождения электронов из пластины?

Для этого мы вычисляем граничную частоту:

f_гр = W_A / h = 4,6 эВ / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 7,37 * 10^-19 Дж / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 1,11 * 10¹⁵ Гц

Частота облучаемого света превышает это значение. Поэтому электроны высвобождаются в результате фотоэлектрического эффекта. Скорость этих электронов составляет:

Список использованной литературы

1. Ворончев Т. А., Соболев В. Д. Физические основы электровакуумной техники. — М.: Высшая школа, 1967. — с. 217—220
2. Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: ИЛ, 1962. — С. 141.
3. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.
4. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.
5. Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: Физматлит, 1963. — 494 с.

Фотоэлектрический эффект | Определение, примеры и приложения

Ключевые специалисты:

Альберт Эйнштейн Роберт Милликен Филипп Ленард

Похожие темы:

фотопроводимость Отношение Эйнштейна фотоэлектрическая работа выхода фотоэлектрон фотоэлектрическая пороговая частота

Просмотреть весь связанный контент →

Рассмотрим, как открытие Генрихом Герцем фотоэлектрического эффекта привело к теории света Альберта Эйнштейна

фотоэлектрический эффект , явление, при котором электрически заряженные частицы высвобождаются из материала или внутри него, когда он поглощает электромагнитное излучение. Эффект часто определяют как выброс электронов из металлической пластины, когда на нее падает свет. В более широком определении лучистой энергией может быть инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи или гамма-лучи; материал может быть твердым, жидким или газообразным; и высвобождаемые частицы могут быть ионами (электрически заряженными атомами или молекулами), а также электронами. Это явление имело фундаментальное значение для развития современной физики из-за загадочных вопросов, которые оно поднимало о природе света — поведение частиц в сравнении с поведением волн, — которые были окончательно решены Альбертом Эйнштейном в 1919 г.05. Эффект остается важным для исследований в областях от материаловедения до астрофизики, а также служит основой для множества полезных устройств.

Открытие и ранние работы

Фотоэффект был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. В связи с работой над радиоволнами Герц заметил, что, когда ультрафиолетовый свет падает на два металлических электрода с приложенным к ним напряжением, свет изменяет напряжение, при котором происходит искрообразование.

Дальнейшие исследования показали, что фотоэффект представляет собой взаимодействие между светом и материей, которое не может быть объяснено классической физикой, описывающей свет как электромагнитную волну. Одно необъяснимое наблюдение заключалось в том, что максимальная кинетическая энергия высвобожденных электронов не зависит от интенсивности света, как ожидалось в соответствии с волновой теорией, а вместо этого пропорциональна частоте света. Интенсивность света действительно определяла количество электронов, выпущенных из металла (измеряемое как электрический ток). Еще одно загадочное наблюдение заключалось в том, что между приходом излучения и испусканием электронов практически не было временной задержки.

фотоэлектрический эффект: открытие Эйнштейна, удостоенное Нобелевской премии

Рассмотрение этих неожиданных явлений привело Альберта Эйнштейна к формулировке в 1905 году новой корпускулярной теории света, в которой каждая частица света, или фотон, содержит фиксированное количество энергии или кванта, которое зависит от частоты света. В частности, фотон несет энергию E , равную ч f , где f — частота света, а ч — это универсальная константа, которую немецкий физик Макс Планк вывел в 1900 году для объяснения распределения длины волны излучения абсолютно черного тела, то есть электромагнитного излучения, испускаемого горячим телом. Соотношение также может быть записано в эквивалентной форме

Britannica Quiz

Физика и естественное право

Эйнштейн предположил, что фотон проникнет в материал и передаст свою энергию электрону. По мере того, как электрон движется через металл с высокой скоростью и, наконец, выходит из материала, его кинетическая энергия уменьшается на величину ϕ, называемую работой выхода (аналогично работе выхода электрона), которая представляет собой энергию, необходимую для того, чтобы электрон покинул пространство. металл. В силу сохранения энергии это рассуждение привело Эйнштейна к фотоэлектрическому уравнению

Хотя модель Эйнштейна описывала испускание электронов из освещенной пластины, его фотонная гипотеза была настолько радикальной, что не была общепринятой до тех пор, пока не получила дальнейшего экспериментального подтверждения. Дальнейшее подтверждение произошло в 1916 году, когда чрезвычайно точные измерения американского физика Роберта Милликена подтвердили уравнение Эйнштейна и показали с высокой точностью, что значение постоянной Эйнштейна ч — то же самое, что и постоянная Планка. Наконец, в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за объяснение фотоэлектрического эффекта.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

Подписаться

В 1922 году американский физик Артур Комптон измерил изменение длины волны рентгеновских лучей после их взаимодействия со свободными электронами и показал, что это изменение можно рассчитать, рассматривая рентгеновские лучи как состоящие из фотонов. Комптон получил 1927 Нобелевская премия по физике за эту работу. В 1931 году британский математик Ральф Говард Фаулер расширил понимание фотоэлектрической эмиссии, установив связь между фотоэлектрическим током и температурой в металлах. Дальнейшие усилия показали, что электромагнитное излучение также может испускать электроны в изоляторах, которые не проводят электричество, и в полупроводниках, различных изоляторах, которые проводят электричество только при определенных обстоятельствах.

Фотоэлектрические принципы

Согласно квантовой механике, электроны, связанные с атомами, находятся в определенных электронных конфигурациях. Самая высокая энергетическая конфигурация (или энергетическая зона), которая обычно занята электронами для данного материала, известна как валентная зона, и степень ее заполнения в значительной степени определяет электропроводность материала. В типичном проводнике (металле) валентная зона примерно наполовину заполнена электронами, которые легко перемещаются от атома к атому, неся ток. В хорошем изоляторе, таком как стекло или резина, валентная зона заполнена, и эти валентные электроны обладают очень малой подвижностью. Подобно изоляторам, полупроводники обычно имеют заполненные валентные зоны, но, в отличие от изоляторов, требуется очень небольшая энергия, чтобы возбудить электрон из валентной зоны в следующую разрешенную зону энергии, известную как зона проводимости, потому что любой электрон, возбужденный до этой более высокой энергии Уровень относительно свободный. Например, ширина запрещенной зоны для кремния составляет 1,12 эВ (электрон-вольт), а для арсенида галлия — 1,42 эВ. Это находится в диапазоне энергии, переносимой фотонами инфракрасного и видимого света, которые поэтому могут поднимать электроны в полупроводниках в зону проводимости. (Для сравнения, обычная батарейка для фонарика сообщает 1,5 эВ каждому прошедшему через нее электрону. Для преодоления запрещенной зоны в изоляторах требуется гораздо более мощное излучение.) В зависимости от того, как сконфигурирован полупроводниковый материал, это излучение может увеличить его электропроводность на добавление к электрическому току, уже индуцированному приложенным напряжением ( см. фотопроводимость), или он может генерировать напряжение независимо от каких-либо внешних источников напряжения ( см. фотогальванический эффект).

Фотопроводимость возникает из-за электронов, освобождаемых светом, а также из-за потока положительного заряда. Электроны, поднятые в зону проводимости, соответствуют отсутствующим отрицательным зарядам в валентной зоне, называемым «дырками». И электроны, и дырки увеличивают ток, когда полупроводник освещается.

При фотогальваническом эффекте напряжение генерируется, когда электроны, освобождаемые падающим светом, отделяются от образовавшихся дырок, создавая разность электрических потенциалов. Обычно это делается с помощью p — n переход, а не чистый полупроводник. Переход p — n возникает на стыке между полупроводниками типа p (положительный) и n (отрицательный). Эти противоположные области создаются добавлением различных примесей для производства избыточных электронов (тип n ) или избыточных дырок (тип p ). Освещение высвобождает электроны и дырки на противоположных сторонах соединения, создавая напряжение на соединении, которое может продвигать ток, тем самым преобразовывая свет в электрическую энергию.

Другие фотоэлектрические эффекты вызываются излучением более высоких частот, таким как рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти фотоны с более высокой энергией могут даже высвобождать электроны вблизи ядра атома, где они прочно связаны. Когда такой внутренний электрон выбрасывается, внешний электрон с более высокой энергией быстро падает вниз, чтобы заполнить вакансию. Избыток энергии приводит к испусканию одного или нескольких дополнительных электронов из атома, что называется эффектом Оже.

При высоких энергиях фотонов также наблюдается эффект Комптона, возникающий при столкновении фотона рентгеновского или гамма-излучения с электроном. Эффект можно проанализировать с помощью тех же принципов, которые управляют столкновением между любыми двумя телами, включая сохранение количества движения. Фотон отдает энергию электрону, что соответствует увеличению длины волны фотона согласно соотношению Эйнштейна E = ч с /λ. Когда столкновение таково, что электрон и фотон расходятся под прямым углом друг к другу, длина волны фотона увеличивается на характерную величину, называемую комптоновской длиной волны, 2,43 × 10 ⁻¹² метра.

5.4: Фотоэлектрический эффект — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

фанат научной фантастики?

В научно-фантастических рассказах 1950-х годов одной из тем космических путешествий было использование солнечных парусов для движения. Идея заключалась в том, что фотонное давление Солнца будет толкать парус (как ветровые паруса) и двигать космический корабль. То, что когда-то было научной фантастикой, теперь стало реальностью, поскольку солнечные паруса разрабатываются и испытываются для современных космических путешествий.

Фотоэлектрический эффект и корпускулярная природа света

В 1905 году Альберт Эйнштейн (1879-1955) предложил описывать свет как кванты энергии, которые ведут себя как частицы. Фотон — это частица электромагнитного излучения, имеющая нулевую массу и несущая квант энергии. Энергия фотонов света квантуется согласно уравнению \(E = h \nu\). В течение многих лет свет описывался с использованием только волновых концепций, и ученые, изучающие классическую физику, сочли, что эту идею корпускулярно-волнового дуализма света трудно принять. Ключевое понятие, которое Эйнштейн объяснил, используя природу световых частиц, было названо фотоэлектрическим эффектом.

Фотоэлектрический эффект  — это явление, возникающее, когда свет, падающий на металлическую поверхность, вызывает выброс электронов из этого металла. Было замечено, что только определенные частоты света способны вызвать выброс электронов. Если частота падающего света была слишком низкой (например, красный свет), то электроны не выбрасывались, даже если интенсивность света была очень высокой или он светил на поверхность в течение длительного времени. Если частота света была выше (например, зеленый свет), то электроны могли выбрасываться с поверхности металла, даже если интенсивность была очень низкой или если свет освещался только короткое время. Эта минимальная частота, необходимая для выброса электрона, называется пороговая частота .

Классическая физика не смогла объяснить фотоэффект. Если бы к этой ситуации была применена классическая физика, электрон в металле мог бы в конечном итоге накопить достаточно энергии, чтобы вылететь с поверхности, даже если падающий свет имел низкую частоту. Эйнштейн использовал теорию частиц света для объяснения фотоэлектрического эффекта, как показано на рисунке ниже.