Навигация
Квантова теорія фотоефекту
15317
знаков
0
таблиц
5
изображений
3. Квантова теорія фотоефекту
Явище фотоефекту і його закономірності повністю пояснюються квантовою теорією світла. У ній стверджується/що світло — це потік матеріальних частинок — фотонів, енергія яких — стала Планка; v — частота коливань); що світло не тільки випромінюється, поширюється, але і поглинається порціями електромагнітних хвиль. При цьому фотон як неподільна частинка поглинається окремим електроном.
На основі таких уявлень А. Ейнштейн у 1905 p., застосувавши закон збереження енергії до взаємодії фотона з електроном, одержав рівняння фотоефекту, яке носить його ім'я:
де А — робота виходу електрона з металу; максимальне значення кінетичної енергії електрона.
Енергія фотона, яку поглинає електрон, витрачається на те, щоб електрон подолав потенціальний бар'єр у металі, тобто на роботу виходу та надання кінетичної енергії вивільненому електрону. Якщо електрон поглинув фотон не біля самої поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії буде витрачена внаслідок випадкових зіткнень електрона в речовині. Максимальну кінетичну енергію матимуть електрони, вивільнені з самого верхнього енергетичного рівня у металі. З рівняння (9.1) випливає, що фотоефект можливий лише тоді, коли hv > А. В іншому випадку енергія фотона недостатня для вивільнення електрона з металу. Найменша частота світла, під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови , звідки
Частота, при якій можливий фотоефект, називається «червоною межею» фотоефекту. Ця назва не стосується кольору світла. Вона вказує на ту найменшу частоту (найбільшу довжину хвилі) світла, при якій ще може відбуватись фотоефект. Так, з цезію вивільняються електрони при освітленні випромінюванням усієї видимої частини спектра; для калію відбувається фотоефект при освітленні променями, довжина хвиль яких < 0,62 мкм; для натрію — <: 0,59 мкм; для літію — < 0,516 мкм; для вольфраму — <: 0,275 мкм.
Оскільки значення гальмівного потенціалу визначається з умови
де — заряд електрона. Отже, величина гальмівного потенціалу не залежить від інтенсивності світла, а тільки від частоти v.
З графічної залежності (рис. 9.4) видно, що tg a = = h/e, а відрізок ОU = Ае. Оскільки інтенсивність світла прямо пропорційна кількості фотонів, то збільшення його інтенсивності зумовлює збільшення кількості вивільнених електронів, тобто збільшення фотоструму. Отже, квантова теорія світла дає змогу ' пояснити всі експериментальні дані, одержані при вивченні явища фотоефекту. Розглянуте явище для металів називають зовнішнім фотоефектом або просто фотоефектом.
Для його вивчення, перевірки законів, визначення розподілу електронів за швидкостями користуються методом так званого сферичного фотоелемента, коли у центрі кулі розміщено катод у вигляді кульки з досліджуваного металу.
На відміну від металів у напівпровідниках та діелектриках при їх освітленні виникає так званий внутрішній фотоефект. У цих речовинах існують заборонені зони енергії. Вони створюють такі умови для фотоефекту, що він у діелектриках і напівпровідниках має дещо інші властивості, ніж у металах. Якщо у зовнішньому фотоефекті електрони при освітленні металу вилітають за його межі, то у внутрішньому фотоефекті електрони під дією поглинутого світла переходять з валентної зони у зону провідності, але за межі напівпровідника або діелектрика не вилітають.
Для напівпровідників характерні два фотоелектричних явища: внутрішній і вентильний фотоефекти. Внутрішній фотоефект (або фотопровідність) полягає у збільшенні концентрації вільних носіїв заряду як у чистих напівпровідниках, так і у напівпровідниках з домішковою провідністю. У чистих напівпровідниках електрони переходять із валентної зони у зону провідності; у напівпровідників n-типу, крім переходу з валентної зони у зону провідності, будуть також переходити із донорного рівня у зону провідності, а у напівпровідниках р-типу — із валентної зони на акцепторний рівень.
Вентильний фотоефект — це явище виникнення електрорушійної сили при освітленні контакту двох напівпровідників різного типу провідності або контакту напівпровідника з металом. На межі напівпровідників п- і р-типу виникає запірний шар. При освітленні напівпровідника га-типу, коли енергія фотонів достатня для переходу електроном запірного шару з напівпровідника «-типу у напівпровідник р-типу (рис. 9.5), відбувається накопичення електронів на зовнішній поверхні напівпровідника р-типу. Внаслідок цього між зовнішніми поверхнями напівпровідників п- і р-типу виникає електрорушійна сила. Особливістю вентильного фотоефекту є безпосереднє перетворення світлової енергії в електричну. Коефіцієнт корисної дії сучасних кремнієвих фотоелементів близько 15 %.
Розглянуте явище фотоефекту відбувається при відносно слабких світлових полях, і його називають однофотонним. Виявляється, що при користуванні випромінюванням потужного лазера виникає багатофотонне поглинання, тобто багатофотонний фотоефект.
Так, двофотонний внутрішній фотоефект спостерігається у напівпровіднику сульфіду кадмію при його опромінюванні рубіновим лазером. Світло нелазерного випромінювання такої самої частоти, як і випромінювання рубінового лазера, не викликає фотоефекту
у сульфіду кадмію. Це пояснюється тим, що енергія фотонів цієї частоти дорівнює 1,8 еВ, а ширина забороненої зони у CdS — 2,4 еВ. Причиною появи фотоефекту при опромінюванні CdS рубіновим лазером є поглинання електроном декількох фотонів. Багатофотонний фотоефект зумовлює зміщення червоної межі фотоефекту в довгохвильову ділянку спектра.
4.Фотоелементи та їх застосування
Прилади, в яких фотоефект використовується для перетворення енергії випромінювання в електричну, називають фотоелементами. Залежно від видів фотоефекту створено фотоелементи із зовнішнім фотоефектом (вакуумні і газонаповнені) та внутрішнім (фотоопори і вентильні фотоелементи).
Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом являють собою скляні балони, всередині яких розміщено фотокатод і анод (рис. 9.6). Фотокатодом К є шар лужного або лужноземельного металу, нанесеного на основу із срібла. Анод А має форму стержня, кульки або петлі. В газонаповнених фотоелементах із зовнішнім фотоефектом є якась кількість інертного газу, внаслідок чого струм у фотоелементі створюється не тільки електронами, що вивільняються із фотокатода під дією світла, а й електронами та іонами, що виникають внаслідок іонізації газу. Наявність газу дає змогу збільшити чутливість фотоелементів у 5 -н 10 разів порівняно з вакуумними.
Для підсилення фотоструму часто користуються фото помножувачами (рис. 9.7), дія яких ґрунтується на явищі вторинної електронної емісії. Кількісно вона характеризується коефіцієнтом вторинної емісії а = пг1пг (відношення кількості вибитих електронів п2 до кількості падаючих %).
Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом (фоторезистори) складаються з ізоляційної основи 3 (рис. 9.8), на яку нанесено тонкий шар
напівпровідника 2 з металевими електродами 1. Така система поміщається в ебонітову або пластмасову оправу з віконцем. Для запобігання впливу оточуючого середовища його світлочутливий шар покривають прозорим лаком. На відміну від фотоелементів із зовнішнім фотоефектом, які мають односторонню провідність, фоторезистори в однаковій мірі проводять струм в обох напрямах. Вони мають високу стабільність параметрів у процесі їх експлуатації, високу чутливість. Недоліками їх є значна залежність чутливості від температури, інерційність, залежність інерційності від освітленості, не лінійність світлових характеристик, відсутність ділянки насичення вольт-амперних характеристик, наявність значного струму при відсутності світлової дії.
Серед вентильних фотоелементів широко застосовуються мідно-оксидні, селенові, сульфідно-срібні, сульфідно-талієві, кремнієві, сульфідно-кадмієві та ін.
Похожие работы
... експериментально довели, що розсіяний рентгенівський фотон і електрон віддачі з'являються одночасно. Розділ 2 Вивчення фундаментальних дослідів з квантової оптики в профільних класах 2.1 Досліди, що послужили основою виникнення хвильової теорії світла Оптика є, ймовірно, тим розділом фізики, в якому вперше були проведені вимірювання. В III ст. до н.е. Евклід вже знав закони видбивання ...
... івкові катоди, наприклад сурм'яно-цезієві, що характеризуються виборчою фотоелектронною емісією. Вони мають максимальну чутливість до променів певної частини спектра. Чутливість – основний параметр фотоелектронного приладу. Розрізняють інтегральну (світлову) і спектральну чутливість. Інтегральна чутливість – це чутливість фотокатода до сумарного, не розкладеному в спектр, світловому потоку. Вона ...
... принтера також містить різні мови опису даних (Adobe PostScript, PCL і тощо.). Ці мови знову ж таки призначені для того, щоб забрати частину роботи у комп'ютера і передати її принтеру. Розглянемо фізичний принцип дії окремих компонентів лазерного принтера. 2.5.29 Фотобарабан Як вже писалося вище, найважливішим конструктивним елементом лазерного принтера є фотобарабан, що обертається, за ...
... дозволяє отримати грубу модель структури або субструктури [ 3,4 ]. Розділ 4. Техніка експерименту і характеристика методів проведення дослідження 4.1 Синтез твердих розчинів LnBa2Cu3O7 та LnxLa1-xBa2Cu3O7 (де Ln = Gd, Ho) Зразки полікристалічних розчинів LnBa2Cu3O7 (де Ln = Gd, Ho) були синтезовані твердо-фазним методом. Як вихідні речовини використовувались купрум (II) оксид CuO, барій ...
0 комментариев