Fotoelektrický jav - škola fyziky

Rodokmeň Mliečnej dráhy

fyziky

Plne integrovaná kontrola nanodiamantov

Trochu bližšie k slnku

Vzdialenosti od hviezd

Čo žiari hviezdy

Jednosmerná ulica pre elektróny

Stovky výtlačkov Newtonovej knihy Philosophiae Naturalis Principia Mathematica nájdené v novom počte

Naša slnečná sústava sa sformovala za menej ako 200 000 rokov

Zdravý na Mars

Fotoelektrický efekt

Pod pojmom fotoelektrický efekt (tiež fotoelektrický efekt alebo krátke Fotoefekt) sú zhrnuté tri úzko súvisiace, ale odlišné procesy interakcie fotónov s hmotou. Vo všetkých troch prípadoch sa elektrón stane mimo väzby - napr. B. v atóme alebo vo valenčnom pásme alebo vo vodivom pásme tuhej látky - rozpustenej absorpciou fotónu. Energia fotónu musí byť minimálne taká veľká ako väzbová energia elektrónu.

Existujú tri typy fotoelektrického javu:

  • Kedy externý fotoelektrický efekt (tiež Fotoemisia alebo Hallov vosk) označuje uvoľnenie elektrónov z polovodiča alebo z kovového povrchu (pozri fotokatódu) ožiarením. Tento efekt bol objavený v 19. storočí [1] a prvýkrát ho interpretoval v roku 1905 Albert Einstein, kde zaviedol pojem svetelné kvantum.
  • The vnútorný fotoelektrický jav sa vyskytuje v polovodičoch. Existujú dva prípady:
    1. Kedy Fotokondukcia označuje zvýšenie vodivosti polovodičov v dôsledku vytvorenia párov elektrón-otvor, ktoré nie sú navzájom spojené.
    2. Na tomto základe nadväzuje fotovoltaický efekt premena svetla na elektrickú energiu.
  • Pod Fotoionizácia (tiež atómový fotoefekt) Nakoniec sa pochopí ionizácia jednotlivých atómov alebo molekúl ožiarením svetlom dostatočne vysokej frekvencie.

Externý fotoelektrický efekt

Uvoľňovanie nosičov náboja z holého kovového povrchu v elektrolytoch svetlom bolo prvýkrát pozorované v roku 1839 Alexandrom Edmondom Becquerelom v takzvanom Becquerelovom efekte.

V roku 1886 Heinrich Hertz dokázal demonštrovať vplyv ultrafialového žiarenia (UV) na kovové povrchy v iskrištke. [2] Poznamenal, že ultrafialové svetlo vyžarované „primárnou iskrou“ A zvyšuje dĺžku druhej iskry B. Dĺžka B závisela recipročne od vzdialenosti medzi iskrami, iskru znižovali rôzne absorbéry ultrafialového žiarenia (vrátane absorbérov, ktoré sú priehľadné vo viditeľnom spektrálnom rozsahu). Hertz nedokázal dokázať, že viditeľné svetlo má vplyv na dĺžku iskry. Vysvetlenie týchto pozorovaní spočíva v tom, že ultrafialové svetlo vyráža elektróny z elektród iskrovej medzery, čo potom vedie k preskočeniu aj pri nižšej intenzite elektrického poľa, pretože najskôr sa nemusí použiť pracovná funkcia.

Wilhelm Hallwachs, vtedajší asistent Heinricha Hertza, vykonal ďalšie systematické vyšetrovania (odtiaľ názov Hallov vosk). Ukázal z. B. „elektroskopom so zlatými listami“ (pozri obrázok vpravo), že kovová doska by sa mohla elektricky nabiť jej ožiarením oblúkovou lampou. [3] [4]

Philipp Lenard ako prvý skúmal fotoelektrický jav vo vysokom vákuu. [5] V roku 1899 dokázal určiť ich špecifický náboj odklonením nosičov náboja v magnetickom poli a tým ich identifikovať ako elektróny. Objavil závislosti na frekvencii a ožiarení, ktoré sú popísané nižšie. Albert Einstein predniesol v roku 1905 v § 8 svojej práce O heuristickom pohľade na produkciu a transformáciu svetla, za čo v roku 1921 dostal Nobelovu cenu za fyziku, správne vysvetlenie účinku. [6] Robert Andrews Millikan dokázal v rokoch 1912 až 1915 pomocou metódy opačného poľa (pozri nižšie) potvrdiť, že faktor proporcionality Einsteinovej rovnice súhlasí s už známou Planckianovou konštantou. [7]

Metóda opačného poľa

Metóda opačného poľa, jedna z rôznych metód merania fotoefektu, je užitočná na demonštračné experimenty s externým fotoefektom na školách a univerzitách.

Úzky rozsah vlnových dĺžok sa filtruje zo svetla ortuťovej výbojky cez interferenčný filter alebo monochromátor a zväzuje sa (pravdepodobne cez šošovku) na katódu (na obrázku červená) vákuovej fotobunky. Na ochranu povrchu fotokatódy pred oxidáciou je potrebné vákuum, ale predovšetkým tak, aby stredná voľná dráha uniknutých elektrónov stačila na dosiahnutie opačnej, často prstencovitej anódy. Medzi obidve elektródy môže byť privedené napätie $ U_0 $ a aktuálny $ I_ \ mathrm (U_0) $ možno merať pomocou citlivého ampérmetra. Podrobnejší popis experimentu nájdete napr. B. v spomenutom diele Millikana [7] alebo v skripte stáže. [8]

Ak je katóda ožarovaná svetlom s dostatočne krátkou vlnovou dĺžkou, sú tam „vyrazené“ elektróny. Vďaka svojej kinetickej energii $ E_ \ mathrm $ sa tieto pohybujú smerom k anóde. Fotobunka sa stáva zdrojom elektriny a prúdiacim Fotoprúd $ I_ \ mathrm (0) $ je možné merať citlivým ampérmetrom. Ak je teraz aplikované proti-napätie $ U_0 $, elektróny, ktoré sa dostanú k anóde a vedú k fotoprúdu, musia okrem pracovnej funkcie $ W_K $ z katódy prekonať aj generované elektrické pole.

Pre rôzne frekvencie $ f $ svetla je možné určiť protiľahlé napätie $ U_0 (f) $, z ktorého už netečie viac fotoprúdov; Pri tomto napätí sa potenciálny rozdiel $ E_ \ mathrm = e \ cdot U_0 $, ktorý musia prekonať elektróny (elektrický náboj $ e $), rovná maximálnej kinetickej energii elektrónov $ E_ \ mathrm $ po ich opustení katódy. Ak predpokladáme, že energia svetla sa prenáša na elektróny iba pomocou energetických kvant s energiou $ E = h \ cdot f $ (s Planckovou konštantou pôsobenia $ h $), môžeme odvodiť od sklonu nameranej priamky $ e \ cdot U_0 (f) $ určuje kvantum akcie $ h $ (pozri tiež Millikan [7]). Možno určiť aj pracovnú funkciu $ W_K $.

Stanovenie H a pracovná funkcia

Na príklade zinku (obrázok vpravo) je svah v diagrame výsledkom trojuholníka sklonu

zhruba Planckovo kvantum akcie. Odsek čiarkovanej čiary v osi y zodpovedá pracovnej funkcii; v prípade zinku sa táto hodnota odčíta na približne (-) 4,3 eV. Skutočná hodnota je 4,34 eV.

Interpretačné problémy v kontexte prezentácie vĺn

V práve opísaných experimentoch je možné vykonať nasledujúce pozorovania:

  • Kinetická energia elektrónov vystupujúcich z fotokatódy nezávisí od ožiarenia, ale od spektrálnej farby svetla, t. J. Od jeho vlnovej dĺžky $ \ lambda $ alebo frekvencie $ f $ .
  • Kinetická energia týchto fotoelektrónov sa lineárne zvyšuje s frekvenciou svetla, začínajúc od minimálnej frekvencie.
  • Maximálna vlnová dĺžka alebo minimálna frekvencia, pri ktorej práve vychádzajú elektróny, závisí od materiálu povrchu katódy, pozri pracovnú funkciu.
  • Uvoľňovanie elektrónov začína prakticky okamžite po dopade svetla a rovnako rýchlo končí aj po skončení ožarovania.
  • Fotoprúd elektrónov je úmerný toku žiarenia, ak sú všetky emitované elektróny zachytené dostatočne pozitívnou anódou.

S výnimkou posledného pozorovania sú všetky zistené spojenia v rozpore s klasickým poňatím svetla ako vlnového javu. Podľa toho energia vlny závisí iba od jej amplitúdy, ale nie od jej frekvencie. Kinetická energia elektrónov by teda musela klesať so znižujúcou sa intenzitou ožarovania. Účinok by sa potom mal dostaviť s oneskorením, pretože prenos energie potrebnej na uvoľnenie elektrónov potom trvá dlhšie. Namiesto minimálnej frekvencie by sa podľa klasického konceptu dalo očakávať, že s klesajúcou frekvenciou sa zvyšuje iba čas, kým elektrón zhromaždí dostatok svetelnej energie.

Interpretácia a význam javu

Fyzici ako Isaac Newton už predpokladali, že svetlo sa skladá z častíc, takzvaných teliesok. Najneskôr do konca 19. storočia sa však myšlienka svetelných častíc považovala za zastaranú, pretože na jednej strane Maxwellova elektrodynamika chápala svetlo ako elektromagnetické vlnenie a v súlade s tým interferenčné experimenty jasne preukázali vlnový charakter svetla.

Einsteinovo vysvetlenie fotoelektrického javu svetelnými časticami v roku 1905 bolo na tomto pozadí odvážnou hypotézou. Základom bola Planckova radiačná hypotéza z roku 1900, podľa ktorej svetlo pozostáva z prúdu častíc, z Fotóny, ktorého energia $ E $ je produktom frekvencie svetla $ f $ svetla a Planckovho množstva pôsobenia $ h $ ($ E = h \ cdot f $). Pomocou tohto predpokladu je možné najskôr vysvetliť vzťah medzi frekvenciou a kinetickou energiou a na základe toho všetky ďalšie experimentálne pozorovania. [6]

Zjavný rozpor, ktorý sa zistil, že svetlo ukazuje vlnové správanie v určitých experimentoch, ale chovanie častíc v iných (dualizmus vln-častice), vyriešil iba kvantová mechanika. Fotoelektrický jav bol jedným z kľúčových experimentov pri stanovení kvantovej fyziky. Einstein získal Nobelovu cenu za fyziku v roku 1921 za vysvetlenie tohto javu.

S rozvojom kvantovej teórie svetla v 60. rokoch bolo možné vysvetliť fotoefekt poloklasickým spôsobom: klasická elektromagnetická vlna interaguje s kvantovaným detektorom. Fotoefekt teda nie je jasným dôkazom kvantovej povahy svetla.

Aplikácie

Fotoelektrický efekt využívajú rôzne fyzikálne zariadenia, ako napríklad fotobunky a fotokatódy fotonásobičov a elektrónky na konverziu obrazu, ako aj dôležitá metóda merania fyzického povrchu, fotoelektrónová spektroskopia. K tomu sa používajú fotoelektrické meracie metódy.

Vnútorný fotoelektrický efekt

Fotokondukcia

Fotovodivosťou sa rozumie zvýšenie elektrickej vodivosti polovodičových materiálov v dôsledku vytvárania neviazaných párov elektrónov a dier počas ožarovania. Elektróny sa zdvíhajú z valenčného pásma do energeticky vyššieho vodivého pásma pomocou energie fotónov, pre ktorú musí energia jednotlivého fotónu zodpovedať minimálne pásmovej medzere ožarovaného polovodiča. Pretože veľkosť pásmovej medzery závisí od materiálu, maximálna vlnová dĺžka svetla, ku ktorému dochádza k fotovodivosti, sa líši v závislosti od polovodiča (arzenid gália: 0,85 μm, germánium: 1,8 μm, kremík: 1,1 μm).

Spektrá fotovodivosti ukazujú závislosť elektrickej vodivosti na energii (alebo vlnovej dĺžke) dopadajúceho svetla. Vodivosť sa významne zvyšuje z energie medzery v pásme, takže takto možno určiť (priamu) medzeru v pásme. Podrobná analýza takýchto spektier fotovodivosti v kombinácii s nálezmi z iných výskumov je dôležitým základom pre pochopenie štruktúry pásu použitého materiálu (pozri tiež model pásma).

Ak sa vyšetrenia uskutočňujú v magnetickom poli, je možné určiť ďalšie podrobnosti, ktoré by sa inak neoddeliteľne superponovali, pokiaľ ide o ich účinky, ktoré sú však oddelené magnetickým poľom. Príkladom je magnetooptický Kerrov efekt a Hallov efekt, pomocou ktorého je možné určiť pohyblivosť elektrónov.

Monochromátory sa používajú na meranie závislosti fotovodivosti na vlnovej dĺžke. Merania sa zvyčajne uskutočňujú vo vákuu, napr. B. vyhnúť sa vodným pásom (pozri infračervenú spektroskopiu) v blízkej infračervenej oblasti alebo pri nízkych teplotách do z. B. na oddelenie účinkov magnetického poľa od hluku.

Fotovodivosť sa nachádza vo fotorezistoroch, fototranzistoroch, fotodiódach a CCD snímačoch (pozri tiež pin dióda a lavínová fotodióda), ktoré sa používajú na výrobu veľkého množstva svetelných senzorov.

Vo fotorezistoroch a iných polovodičoch môžu nosiče náboja generované svetlom pretrvávať veľmi dlho (hodiny až dni) aj po zotmení; nazýva sa to dlhotrvajúci fotoefekt (skrátene PPE). pretrvávajúci fotoefekt).

Fototranzistory obsahujú fotocitlivé spojenia PN. Zosilňujú prúd vyskytujúci sa v ich základni.

Pri meraniach vo viditeľnom a infračervenom spektrálnom rozsahu sa fotodiódy zvyčajne prevádzkujú ako fotovodiče v kvázi skrate alebo v blokujúcom rozsahu - potom dodávajú prúd úmerný toku dopadajúceho žiarenia v mnohých rádoch.

Pri monokryštáloch titaničitanu strontnatého sa pri izbovej teplote pozoruje pretrvávajúca fotovodivosť. Po expozícii sa koncentrácia voľného elektrónu zvyšuje o dva rády a zostáva zvýšená niekoľko dní. [9]

Fotovoltaický efekt

Fotovoltaický efekt je tiež založený na vnútornom fotoelektrickom efekte. Páry nosiča náboja, ktoré vznikajú v zóne priestorového náboja, t. J. Na prechode p-n fotodiódy, sú rozdelené do p- a n-vrstiev. Elektróny prechádzajú do n-vrstvy, otvory do p-vrstvy a proti smeru prechodu spoja sa vytvára prúd. Tento prúd sa nazýva fotoprúd.

Veľkoplošné fotodiódy (solárne články) sa používajú na premenu žiarivej energie slnka na elektrickú.

Fotoionizácia

Sú atómy alebo molekuly z. B. zbavený plynu krátkovlnným žiarením jedného alebo viacerých jeho elektrónov, o čom sa hovorí Fotoionizácia alebo atómový alebo efekt molekulárnej fotografie. To si vyžaduje fotóny s výrazne vyššími energiami, než aby sa prerušila väzba v tuhej látke. Sú obsiahnuté v ultrafialovom, röntgenovom alebo gama žiarení.

Fotón sa absorbuje a dáva svoje celý Energia pre elektrón, ktorá sa v jadrovej fyzike bežne nazýva Fotoefekt určený. Toto je z. B. využívané v detektoroch žiarenia. Okrem toho Comptonov efekt prispieva aj k fotoionizácii, pri ktorej elektrón preberá iba časť energie, zatiaľ čo zvyšok energie sa opäť emituje ako fotón s väčšou vlnovou dĺžkou.

Prierez $ \ sigma $, tj. Pravdepodobnosť výskytu fotoionizácie, závisí od energie fotónu $ E_ \ gamma $ a od atómového čísla $ Z $ materiálu:

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

Je teda približne úmerná piatej mocnine radového čísla. To znamená, že materiály s vysokým atómovým číslom absorbujú obzvlášť dobre röntgenové a gama žiarenie. Olovo ($ Z = 82 $) je preto vhodnejšie na tienenie röntgenových lúčov ako napríklad hliník ($ Z = 13 $).

So zvyšujúcou sa energiou fotónov sa prierez zmenšuje, ako ukazuje záporná sila vo vzorci; To však platí, iba ak je pre ionizáciu k dispozícii konštantný počet elektrónov v atóme. Len čo energia fotónu dosiahne väzobnú energiu nasledujúceho pevnejšie viazaného elektrónového obalu, prierez skočí na zodpovedajúco vyššiu hodnotu, z ktorej potom so zvyšovaním energie opäť postupne klesá. To vedie k charakteristickým štruktúram v absorpčnom spektre, Absorpčné hrany. Energie elektrónovej väzby sa pohybujú od niekoľkých eV do približne 100 keV v prvkoch s vysokým atómovým číslom.

Fotoionizácia vzduchu pomocou ultrafialového žiarenia ionizátormi sa používa na zvýšenie jeho vodivosti a tým na rozptýlenie elektrostatických nábojov.

Meranie vodivosti vzduchu sa po prvýkrát použilo na preukázanie kozmického pôvodu časti prírodnej rádioaktivity jej meraním pri výstupoch balónom: kozmické žiarenie produkuje sprchy ionizujúcich častíc a čiastočne rádioaktívnych produktov spalácie.

Existuje aj jadrový fotoefekt, pri ktorom sa vysoko atómové gama kvantum absorbuje v atómovom jadre a jadrovou reakciou uvoľňuje neutrónové, protónové alebo alfa častice. Toto sa tiež nazýva ako (γ, n), (γ, p) a (γ, α) reakcie.