Фотоэффект и его применение. Реферат. Читать текст оnline -

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный открытый университет

Факультет бизнеса и управления

Кафедра Физики

Реферат

дисциплина: Концепция современного естествознания

тема: Фотоэффект и его применение

Москва 2010

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 5.2.1.

Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта была развита А. Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.

Согласно квантовым представлениям свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия E которых пропорциональна частоте ν:

Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью c=3∙10⁸м/с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

Законы внешнего фотоэффекта. Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света ν₀ (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν < ν₀ , то фотоэффект уже не происходит.

Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый (h-постоянная Планка). При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл:

К 1905 г.
было выяснено, что максимальная скорость
фото­электронов не зависит от
интенсивности света, а зависит только
от его частоты - увеличение частоты
приводит к возрастанию скорости.
Установленные экспериментально
зависимости не укладываются в рамки
классических представлений. Например,
скорость фотоэлектронов по классическим
понятиям должна воз­растать с
амплитудой, а следовательно, и с
интенсивностью электромагнитной волны.

В 1905 г.
А. Эйнштейн показал, что все закономерности
фото­эффекта легко объясняются, если
предположить, что свет погло­щается
такими же порциями
(квантами), какими он, по пред­положению
Планка, испускается. По мысли Эйнштейна,
энер­гия; полученная электроном,
доставляется ему в виде кванта,
который усваивается им целиком. Часть
этой энергии, рав­ная работе выхода
А, затрачивается на то, чтобы электрон
мог покинуть тело. Если электрон
освобождается светом не у самой
поверхности, а на некоторой глубине, то
часть энергии, равная,
может быть потеряна вследствие случайных
столк­новений в веществе. Остаток
энергии образует кинетическую энергиюэлектрона, покинувшего вещество. Энергиябу­дет максимальна, если=
0. В этом случае должно выполняться

соотношение

(2)

которое
называется формулой Эйнштейна.

))

коллективизированными в твёрдом теле. В результате может наблюдаться

(внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или

(

и др. фотоэлектрические явления) с граничной энергией фотонов, равной ширине запрещенной зоны.

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y — число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов. Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней УФ-областях Y < 0,001 электрон/фотон. Это связано прежде всего с малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти в вакуум. При энергии фотонов вблизи порога фотоэффекта большинство фотоэлектронов возбуждается ниже уровня вакуума и не даёт вклада в фотоэмиссионный ток. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ-областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Эти ограничения частично снимаются в дальней УФ-области спектра, где Y достигает величины 0,01 электрон/фотон при энергии фотонов E > 10 эВ.

Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Однако такое применение фотоэффекта сопряжено в настоящее время со значительными трудностями. Во-первых, сами солнечные батареи дороги и, соответственно, будет дорогой получаемая электроэнергия. Во-вторых, КПД подобного преобразования не превышает 26%. Правда, работы в направлении повышения эффективности и уменьшения стоимости преобразования светового потока продолжаются, и можно надеяться, что в скором времени будут готовы достаточно эффективные и дешевые солнечные батареи.

  Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах. Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком , и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Оставить комментарий
Сообщить об ошибке