Fotoelektrisk effekt

Fotoelektrisk effekt , eller fotoelektrisk effekt , är fenomenet med växelverkan mellan ljus eller någon annan elektromagnetisk strålning med ett ämne, där fotonenergin överförs till ämnets elektroner . I kondenserade (fasta och flytande) ämnen urskiljs en extern (absorption av fotoner åtföljs av emission av elektroner utanför ämnet) och inre (elektroner, som finns kvar i ämnet, ändrar deras energitillstånd i det) fotoelektrisk effekt. Den fotoelektriska effekten i gaser består i jonisering av atomer eller molekyler under inverkan av strålning [1] .

Extern fotoelektrisk effekt

Den externa fotoelektriska effekten ( fotoelektronisk emission ) är emissionen av elektroner från ett ämne under inverkan av elektromagnetisk strålning. Elektroner som flyr från materia under en extern fotoelektrisk effekt kallas fotoelektroner , och elektrisk ström som bildas av dem under ordnad rörelse i ett externt elektriskt fält kallas fotoström .

Fotokatod  - en elektrod av en vakuumelektronisk enhet som är direkt exponerad för elektromagnetisk strålning och avger elektroner under verkan av denna strålning.

Mättnadsfotoström  är den maximala strömmen av utstötta elektroner, strömmen mellan fotokatoden och anoden, vid vilken alla utstötta elektroner samlas vid anoden.

Den spektrala egenskapen hos fotokatoden  är beroendet av den spektrala känsligheten på frekvensen eller våglängden hos elektromagnetisk strålning.

Upptäcktshistorik

Den externa fotoelektriska effekten upptäcktes 1887 av Heinrich Hertz [2] [3] [4] . När han arbetade med en öppen resonator märkte han att om du lyser ultraviolett ljus på zinkgnistgap , så underlättas passagen av gnistan märkbart.

1888-1890 studerades den fotoelektriska effekten systematiskt av den ryske fysikern Alexander Stoletov [5] , som publicerade 6 artiklar [6] [7] [8] [9] [10] [11] . Han gjorde flera viktiga upptäckter inom detta område, inklusive den första lagen om den externa fotoelektriska effekten [12] .

Stoletov kom också till slutsatsen att "Strålar med högsta brytning som saknas i solspektrumet har en urladdningseffekt, om inte uteslutande, så med enorm överlägsenhet över andra strålar", det vill säga han kom nära slutsatsen att den röda gränsen för den fotoelektriska effekten finns . 1891 kom Elster och Geitel, medan de studerade alkalimetaller, till slutsatsen att ju högre elektropositivitet metallen har, desto lägre gränsfrekvens vid vilken den blir ljuskänslig [13] .

Thomson 1898 experimentellt fastställde att flödet av elektrisk laddning som kommer från en metall under en extern fotoelektrisk effekt är ett flöde av partiklar som upptäcktes av honom tidigare (senare kallade elektroner). Därför bör en ökning av fotoströmmen med ökande belysning förstås som en ökning av antalet utstötta elektroner med ökande belysning.

Studier av den fotoelektriska effekten av Philip Lenard 1900-1902 visade att, i motsats till klassisk elektrodynamik , är energin hos en emitterad elektron alltid strikt relaterad till frekvensen av den infallande strålningen och beror praktiskt taget inte på intensiteten av bestrålningen .

Den fotoelektriska effekten förklarades 1905 av Albert Einstein (som han fick Nobelpriset för 1921 tack vare nomineringen av den svenske fysikern Carl Wilhelm Oseen ) utifrån Max Plancks hypotes om ljusets kvantnatur. Einsteins arbete innehöll en viktig ny hypotes - om Planck år 1900 föreslog att ljus endast emitteras i kvantiserade delar, så trodde Einstein redan att ljus endast existerar i form av kvantiserade delar ( fotoner ) med energi h ν vardera, där h  är Planck ' s konstant .

1906-1915 bearbetades den fotoelektriska effekten av Robert Milliken . Han kunde fastställa det exakta beroendet av spärrspänningen på frekvensen (som faktiskt visade sig vara linjär) och utifrån detta kunde han beräkna Plancks konstant. "Jag ägnade tio år av mitt liv åt att verifiera den här einsteinska ekvationen från 1905," skrev Millikan, "och tvärtemot alla mina förväntningar tvingades jag 1915 att oreserverat erkänna att den experimentellt bekräftades, trots sin absurditet, eftersom det verkade som att den motsäger allt vi vet om ljusets interferens.” År 1923 tilldelades Millikan Nobelpriset i fysik "för sitt arbete med den elementära elektriska laddningen och den fotoelektriska effekten."

Forskning om den fotoelektriska effekten var en av de tidigaste kvantmekaniska studierna.

Lagar för den externa fotoelektriska effekten

Lagar för den externa fotoelektriska effekten :

1:a lagen för den fotoelektriska effekten (Stoletovs lag) : Styrkan hos mättnadsfotoströmmen är direkt proportionell mot ljusstrålningens intensitet [14] . Med en konstant spektral sammansättning av den elektromagnetiska strålningen som infaller på fotokatoden, är mättnadsfotoströmmen proportionell mot katodens energibelysning ( med andra ord, antalet fotoelektroner som slås ut ur katoden per tidsenhet är direkt proportionell mot strålningsintensiteten ).

Andra lagen för den fotoelektriska effekten : Den maximala kinetiska energin för elektroner som slås ut av ljus ökar med ljusets frekvens och beror inte på dess intensitet [14] .

Tredje lagen för den fotoelektriska effekten : För varje ämne i ett visst tillstånd av dess yta finns det en begränsande ljusfrekvens, under vilken den fotoelektriska effekten inte observeras. Denna frekvens och den våglängd som motsvarar den kallas den fotoelektriska effektens röda gräns [14] .

Den externa fotoelektriska effekten är praktiskt taget tröghetslös . Fotoström uppstår omedelbart när kroppens yta är upplyst, förutsatt att den fotoelektriska effekten kan existera [14] .

Med den fotoelektriska effekten reflekteras en del av den infallande elektromagnetiska strålningen från metallytan, och en del tränger in i ytskiktet på metallen, halvledaren eller dielektrikumet och absorberas där. Genom att absorbera en foton får en elektron energi från den. Enligt teorin från 1905, från lagen om energibevarande, när ljus representeras i form av partiklar ( fotoner ), följer Einsteins formel för den fotoelektriska effekten:

var  - sk. arbetsfunktion (den minsta energi som krävs för att avlägsna en elektron från ett ämne). A används inte för att beteckna arbetsfunktionen i modern vetenskaplig litteratur ;  är den maximala kinetiska energin för den emitterade elektronen;  är frekvensen för den infallande fotonen med energi  ; h  är Plancks konstant .

Av denna formel följer förekomsten av den röda gränsen för den fotoelektriska effekten vid T = 0 K, det vill säga förekomsten av den lägsta frekvensen ( ), under vilken fotonenergin inte längre räcker till för att "slå ut" en elektron från metall. Fenomenet i de flesta ämnen uppträder endast i ultraviolett strålning, men i vissa metaller (litium, kalium, natrium) är synligt ljus också tillräckligt.

Den omvända polaritetsspänningen som appliceras på elektroderna minskar den fotoelektriska strömmen, eftersom elektronerna måste göra extra arbete för att övervinna de elektrostatiska krafterna. Den lägsta spänningen som helt stoppar fotoströmmen kallas retarderande eller blockerande spänning . Den maximala kinetiska energin för elektroner uttrycks i termer av den retarderande spänningen:

Den fotoelektriska effekten är uppdelad i yta , när en fotoelektron flyger ut ur ytskiktet av atomer, och volumetrisk , när en fotoelektron flyger ut ur volymen av en fast kropp. Den volumetriska fotoelektriska effekten betraktas i tre steg:

i det första steget exciteras atomens elektron till ett exciterat tillstånd, i det andra steget, under inverkan av ett drande elektriskt fält, når elektronen ytan, i det tredje steget, om elektronenergin är tillräcklig för att övervinna den potentiella barriären på ytan, då flyger den ut ur det fasta ämnet. I allmänna termer kan man skriva:

var  är bindningsenergin för en elektron i förhållande till Fermi-nivån,  är energiförlusten för en elektron på väg till ytan, främst på grund av spridning på kristallgittret,  är den kinetiska energin hos en elektron som emitteras i vakuum.

Fowlers teori

De huvudsakliga regelbundenheterna för den externa fotoelektriska effekten för metaller beskrivs väl av Fowlers teori [15] [16] . Enligt den, efter absorptionen av en foton i en metall, överförs dess energi till ledningselektroner, som ett resultat av vilket elektrongasen i metallen består av en blandning av gaser med en normal Fermi-Dirac-fördelning och en exciterad ( skiftas av ) energidistribution.

Fotoströmdensiteten bestäms av Fowlers formel:

där , ,  är några konstanta koefficienter beroende på egenskaperna hos den bestrålade metallen. Formeln är giltig vid fotoemissionsexcitationsenergier som inte överstiger metallens arbetsfunktion med mer än några få elektronvolt. Fowlers teori ger resultat som sammanfaller med experiment endast i fallet med ljus som faller in normalt mot ytan.


Quantum output

En viktig kvantitativ egenskap hos den fotoelektriska effekten är kvantutbytet Y, antalet emitterade elektroner per foton som infaller på en kropps yta. Y-värdet bestäms av ämnets egenskaper, tillståndet på dess yta och fotonenergin.

Kvantutbytet av den fotoelektriska effekten från metaller i de synliga och nära UV-områdena är Y < 0,001 elektron/foton. Detta beror först och främst på det grunda djupet av fotoelektronflykt, vilket är mycket mindre än djupet för ljusabsorption i metallen. De flesta fotoelektroner försvinner sin energi innan de närmar sig ytan och förlorar möjligheten att fly in i vakuum. Vid fotonenergier nära den fotoelektriska effekttröskeln exciteras de flesta fotoelektroner under vakuumnivån och bidrar inte till fotoemissionsströmmen. Dessutom är reflektionskoefficienten i de synliga och nära UV-områdena stor, och endast en liten del av strålningen absorberas i metallen. Dessa begränsningar upphävs delvis i den bortre UV-regionen av spektrumet, där Y når 0,01 elektron/foton vid fotonenergier E > 10 eV.

Vektoriell fotoelektrisk effekt

Den vektoriella fotoelektriska effekten är fotoströmmens beroende av det infallande ljusets polarisationsriktning, vilket är en konsekvens av manifestationen av ljusets vågegenskaper. Fotoströmmen ökar särskilt kraftigt när den elektriska fältstyrkevektorn ligger i infallsplanet (känsligheten är mycket större i magnitud och spektralkarakteristiken har ett selektivt maximum) jämfört med när den är vinkelrät mot infallsplanet (fotoströmmen ökar monotont med ökande frekvens). Den vektoriella fotoelektriska effekten förklaras av fotoströmmen av elektroner som finns i metallens ytskikt, där det elektriska fältet i dubbelskiktet verkar och skapar en potentialbarriär [17] [18] [19] .

Intern fotoelektrisk effekt

Den interna fotoelektriska effekten är fenomenet med en ökning av elektrisk ledningsförmåga och en minskning av resistans orsakad av bestrålning [20] . Det förklaras av omfördelningen av elektroner över energitillstånd i fasta och flytande halvledare och dielektrikum , som sker under påverkan av strålning, manifesterar sig i en förändring i koncentrationen av laddningsbärare i mediet och leder till uppkomsten av fotokonduktivitet eller ventil fotoelektrisk effekt [21] .

Fotokonduktivitet är en ökning av den elektriska ledningsförmågan hos ett ämne under påverkan av strålning.

Upptäcktshistorik

År 1839 observerade Alexander Becquerel [22] den fotovoltaiska effekten i en elektrolyt.

År 1873 upptäckte Willoughby Smith att selen är fotokonduktivt [23] [24] .

Art

Ventil fotoelektrisk effekt

Den fotoelektriska gateeffekten eller fotoelektriska effekten i barriärskiktet  är ett fenomen där fotoelektroner lämnar kroppen och passerar genom gränsytan in i en annan fast substans ( halvledare ) eller vätska ( elektrolyt ).

Fotovoltaisk effekt

Fotovoltaisk effekt  - uppkomsten av en elektromotorisk kraft under påverkan av elektromagnetisk strålning [25] . Det används för att mäta intensiteten av infallande ljus (till exempel i fotodioder ) eller för att generera elektricitet i solpaneler .

Sensibiliserad fotoelektrisk effekt

En sensibiliserad fotoelektrisk effekt är en fotoelektrisk effekt som åtföljs av fenomenet sensibilisering , det vill säga en förändring i storleken och spektrumet av fotokänslighet i fotoledare med stora gap av organisk och oorganisk natur, beroende på strukturen hos molekylära föreningar [26] .

Fotopiezoelektrisk effekt

Den fotopiezoelektriska effekten är fenomenet med uppkomsten av en fotoelektromotorisk kraft i en halvledare under förhållanden med extern ojämn kompression av halvledaren [27] .

Fotomagnetisk effekt

Den fotomagnetiska effekten är uppkomsten av en elektromotorisk kraft i en upplyst homogen halvledare i ett magnetfält [27] .

Nukleär fotoelektrisk effekt

När en gammastråle absorberas , får kärnan ett överskott av energi utan att ändra dess nukleonsammansättning , och en kärna med ett överskott av energi är en sammansatt kärna . Liksom andra kärnreaktioner är absorptionen av en gammastråle av en kärna endast möjlig om de nödvändiga energi- och spinnförhållandena är uppfyllda. Om energin som överförs till kärnan överstiger bindningsenergin för nukleonen i kärnan, sker sönderfallet av den bildade sammansatta kärnan oftast med emission av nukleoner, främst neutroner . Sådant sönderfall leder till kärnreaktioner och , som kallas fotonukleära , och fenomenet med emission av nukleoner (neutroner och protoner ) i dessa reaktioner är den nukleära fotoelektriska effekten [28] .

Multifoton fotoelektrisk effekt

I ett starkt elektromagnetiskt fält kan flera fotoner interagera med en atoms elektronskal i en elementär handling av den fotoelektriska effekten . I detta fall är jonisering av en atom möjlig med hjälp av strålning med fotonenergi . Sex- och sjufotonjonisering av inerta gaser har registrerats [29] .

Samtida forskning

Som framgår av experiment vid det tyska nationella metrologiska institutet Physikalisch-Technische Bundesanstalt , vars resultat publicerades den 24 april 2009 i Physical Review Letters [30] , i det mjuka röntgenvåglängdsområdet vid en effekttäthet på flera petawatt (10 15 W) per kvadratcentimeter kan den allmänt accepterade teoretiska modellen av den fotoelektriska effekten visa sig vara felaktig.

Jämförande kvantitativa studier av olika material har visat att djupet av interaktion mellan strålning och materia i huvudsak beror på strukturen hos atomerna i detta ämne och korrelationen mellan de inre elektronskalen. När det gäller xenon , som användes i experimenten, leder inverkan av ett fotonpaket i en kort puls tydligen till samtidig utsändning av många elektroner från de inre skalen [31] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. , Lebedev A. K. Handbok i fysik för ingenjörer och universitetsstudenter. - M., Onyx, 2007. - Upplaga 5100 ex. - ISBN 978-5-488-01248-6 . - Med. 725
  2. ↑ http://www.britannica.com/science/photoelectric-effect Arkiverad 10 januari 2016 på Wayback Machine "Den fotoelektriska effekten upptäcktes 1887 av den tyske fysikern Heinrich Rudolf Hertz."
  3. ↑ H. Hertz (1887), Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung Arkiverad 24 januari 2016 på Wayback Machine (En effekt av ultraviolett ljus på elektrisk urladdning) / Ann. Phys. 267: 983-1000. doi: 10.1002/andp.18872670827  (tyska)
  4. ↑ Stig Lundqvist, Fysik, 1901-1921 Arkiverad 4 februari 2016 på Wayback Machine // World Scientific, 1998, ISBN 9789810234010 , s.121 
  5. ↑ TSB, PHOTOEFECT
  6. ↑ Stoletow, A. Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets  (franska)  // Comptes Rendus :tidskrift. - 1888. - Vol. VI . — S. 1149 . (Återtryckt i Stoletow, MA On a kind of electric current produceed by ultraviolet rays  (engelska)  // Philosophical Magazine Series 5: journal. - 1888. - Vol. 26 , nr. 160. - S. 317. - doi : 10.1080/14786448808628270 ; abstrakt i Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  7. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-electriques au travers deTair  (franska)  // Comptes Rendus :tidskrift. - 1888. - Vol. VI . - S. 1593 . (Abstrakt i Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  8. ↑ Stoletow, A. Suite des recherches actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1888. - T. VII . - S. 91 . (Abstrakt i Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  9. ↑ Stoletow, A. Sur les phénomènes actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1889. - T. CVIII . - S. 1241 .
  10. ↑ Stoletov, A. Aktino-elektrisk forskning  (ryska)  // Journal of the Russian Physical and Chemical Society. - 1889. - T. 21 . - S. 159 .
  11. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié  (franska)  // Journal de Physique  : magazine. - 1890. - Vol. 9 . - S. 468 . - doi : 10.1051/jphystap:018900090046800 .
  12. ↑ TSB, STOLETOV ALEXANDER GRIGORYEVICH
  13. ↑ Dukov V. M.  Historiska recensioner under gymnasiets fysik. M.: Prosveshchenie 1983. 160 sid.
  14. ↑ 1 2 3 4 Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Volym 2. - M., Nauka , 1974. - Upplaga 169 000 exemplar. - Med. 197
  15. ↑ Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V. Emissionselektronik . - M . : Nauka, 1966. - S. 564.  (otillgänglig länk)
  16. ↑ Fowler, 1931 , s. 45-56.
  17. ↑ Voronchev T. A., Sobolev V. D. Fysiska grunder för elektrovakuumteknik. - M .: Högre skola, 1967. - sid. 217-220
  18. ↑ Lukirsky, 1933 .
  19. ↑ Lukyanov, 1948 .
  20. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Volym 2. - M .: Nauka , 1974. - Upplaga 169 000 exemplar. - Med. 336
  21. ↑ Kireev P. S. Halvledares fysik. - M .: Högre skola , 1975. - Upplaga 30 000 ex. - Med. 537-546
  22. ↑ A.E. Becquerel (1839). "Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires". Comptes Rendus 9: 561-567
  23. ↑ Smith, W. (1873). "Effekt av ljus på selen under passagen av en elektrisk ström". Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0
  24. ↑ TSB, PHOTOCONDUCTIVITY
  25. ↑ Fotovoltaisk effekt - artikel från Great Soviet Encyclopedia . 
  26. ↑ Akimov I. A., Cherkasov Yu. A., Cherkashin M. I. Sensibiliserad fotoelektrisk effekt. - M . : Nauka, 1980. - S. 384.
  27. ↑ 1 2 Tauc Ya. Foto- och termoelektriska fenomen i halvledare. - M. : IL, 1962. - S. 141.
  28. ↑ Klimov A.N. Kärnfysik och kärnreaktorer. - M . : Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
  29. ↑ Kvantelektronik. Litet uppslagsverk. - M . : Soviet Encyclopedia, 1969. - S. 431.
  30. ↑ Phys. Varv. Lett. 102, 163002 (2009): Extrem ultraviolett laser exciterar Atomic Giant Resonance
  31. ↑ Begränsningar av den klassiska fotoelektriska effekten för röntgenstrålar upptäckt | Nanoteknik Nanonewsnet . Hämtad 27 april 2009. Arkiverad från originalet 28 april 2009.

Länkar

Litteratur

  • Lukirsky P. I. Om den fotoelektriska effekten. — L.; M.: Stat. tech.-teor. förlag, 1933. - 94 sid.
  • Lukyanov S. Yu. Fotoceller. - Moskva ; Leningrad :: Förlag och 2:a typ. Publishing House Acad. Sciences of the USSR, 1948. - 372 s.
  • Ryvkin SM Fotoelektriska fenomen i halvledare. - M. : Fizmatlit, 1963. - 494 sid.
  • Fowler RH Analysen av fotoelektriska känslighetskurvor för rena metaller vid olika temperaturer // Phys. Varv. - 1931. - Vol. 38.
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger