Fotoelektrisk effekt

Fotoelektrisk effekt eller fotoelektrisk effekt er fænomenet med vekselvirkningen mellem lys eller enhver anden elektromagnetisk stråling med et stof, hvor fotonenergien overføres til stoffets elektroner . I kondenserede (faste og flydende) stoffer skelnes en ekstern (absorption af fotoner ledsages af emission af elektroner uden for stoffet) og intern (elektroner, der forbliver i stoffet, ændrer deres energitilstand i det) fotoelektrisk effekt. Den fotoelektriske effekt i gasser består i ionisering af atomer eller molekyler under påvirkning af stråling [1] .

Ekstern fotoelektrisk effekt

Den eksterne fotoelektriske effekt ( fotoelektronisk emission ) er emissionen af ​​elektroner fra et stof under påvirkning af elektromagnetisk stråling. Elektroner, der undslipper stof under en ekstern fotoelektrisk effekt, kaldes fotoelektroner , og elektrisk strøm , der dannes af dem under ordnet bevægelse i et eksternt elektrisk felt, kaldes fotostrøm .

Fotokatode  - en elektrode af en vakuum elektronisk enhed, der er direkte udsat for elektromagnetisk stråling og udsender elektroner under påvirkning af denne stråling.

Mætningsfotostrøm  er den maksimale strøm af udstødte elektroner, strømmen mellem fotokatoden og anoden, ved hvilken alle udstødte elektroner opsamles ved anoden.

Den spektrale karakteristik af fotokatoden  er afhængigheden af ​​den spektrale følsomhed af frekvensen eller bølgelængden af ​​elektromagnetisk stråling.

Opdagelseshistorie

Den eksterne fotoelektriske effekt blev opdaget i 1887 af Heinrich Hertz [2] [3] [4] . Når han arbejdede med en åben resonator , bemærkede han, at hvis du skinner ultraviolet lys på zinkgnistgab , så lettes passagen af ​​gnisten mærkbart.

I 1888-1890 blev den fotoelektriske effekt systematisk undersøgt af den russiske fysiker Alexander Stoletov [5] , som udgav 6 artikler [6] [7] [8] [9] [10] [11] . Han gjorde flere vigtige opdagelser på dette område, herunder den første lov om den eksterne fotoelektriske effekt [12] .

Stoletov kom også til den konklusion, at "Stråler med den højeste brydning, der mangler i solspektret, har en udladningseffekt, hvis ikke udelukkende, så med enorm overlegenhed i forhold til andre stråler," det vil sige, han kom tæt på den konklusion, at den røde grænsen for den fotoelektriske effekt eksisterer . I 1891 kom Elster og Geitel, mens de studerede alkalimetaller, til den konklusion, at jo højere metallets elektropositivitet, desto lavere afskæringsfrekvens, hvorved det bliver lysfølsomt [13] .

Thomson i 1898 eksperimentelt fastslået, at strømmen af ​​elektrisk ladning, der kommer fra et metal under en ekstern fotoelektrisk effekt, er en strøm af partikler opdaget af ham tidligere (senere kaldet elektroner). Derfor skal en stigning i fotostrømmen med stigende belysning forstås som en stigning i antallet af udstødte elektroner med stigende belysning.

Undersøgelser af den fotoelektriske effekt af Philip Lenard i 1900-1902 viste, at i modsætning til klassisk elektrodynamik er energien af ​​en udsendt elektron altid strengt relateret til frekvensen af ​​den indfaldende stråling og praktisk talt ikke afhængig af intensiteten af ​​bestråling .

Den fotoelektriske effekt blev forklaret i 1905 af Albert Einstein (som han modtog Nobelprisen for i 1921 takket være nomineringen af ​​den svenske fysiker Carl Wilhelm Oseen ) baseret på Max Plancks hypotese om lysets kvantenatur. Einsteins arbejde indeholdt en vigtig ny hypotese - hvis Planck i 1900 foreslog, at lys kun udsendes i kvantiserede portioner, så troede Einstein allerede, at lys kun eksisterer i form af kvantiserede portioner ( fotoner ) med energi h ν hver, hvor h  er Planck ' s konstant .

I 1906-1915 blev den fotoelektriske effekt bearbejdet af Robert Milliken . Han var i stand til at fastslå den nøjagtige afhængighed af blokeringsspændingen af ​​frekvensen (som faktisk viste sig at være lineær), og ud fra dette var han i stand til at beregne Plancks konstant. "Jeg brugte ti år af mit liv på at verificere denne einsteinske ligning fra 1905," skrev Millikan, "og i modsætning til alle mine forventninger blev jeg i 1915 tvunget til uforbeholdent at indrømme, at den blev eksperimentelt bekræftet, på trods af dens absurditet, da det så ud til, at den modsiger alt, hvad vi ved om lysets indblanding." I 1923 blev Millikan tildelt Nobelprisen i fysik "for sit arbejde med den elementære elektriske ladning og den fotoelektriske effekt."

Forskning i den fotoelektriske effekt var en af ​​de tidligste kvantemekaniske undersøgelser.

Lovene for den eksterne fotoelektriske effekt

Lovene for den eksterne fotoelektriske effekt :

1. lov for den fotoelektriske effekt (Stoletovs lov) : Styrken af ​​mætningsfotostrømmen er direkte proportional med intensiteten af ​​lysstråling [14] . Med en konstant spektral sammensætning af den elektromagnetiske stråling, der falder ind på fotokatoden, er mætningsfotostrømmen proportional med katodens energibelysning (med andre ord er antallet af fotoelektroner slået ud af katoden pr. tidsenhed direkte proportionalt med strålingsintensiteten ).

2. lov for den fotoelektriske effekt : Den maksimale kinetiske energi af elektroner slået ud af lys stiger med lysets frekvens og afhænger ikke af dets intensitet [14] .

3. lov for den fotoelektriske effekt : For hvert stof i en bestemt tilstand af dets overflade er der en begrænsende lysfrekvens, under hvilken den fotoelektriske effekt ikke observeres. Denne frekvens og den bølgelængde, der svarer til den, kaldes den røde grænse for den fotoelektriske effekt [14] .

Den eksterne fotoelektriske effekt er praktisk talt uden inerti . Fotostrøm opstår straks, når kroppens overflade er belyst, forudsat at den fotoelektriske effekt kan eksistere [14] .

Med den fotoelektriske effekt reflekteres en del af den indfaldende elektromagnetiske stråling fra metaloverfladen, og en del trænger ind i overfladelaget af metallet, halvlederen eller dielektrikumet og absorberes der. Ved at absorbere en foton modtager en elektron energi fra den. Ifølge teorien fra 1905, fra loven om bevarelse af energi, når lys er repræsenteret i form af partikler ( fotoner ), følger Einsteins formel for den fotoelektriske effekt:

hvor  - såkaldte. arbejdsfunktion (den mindste energi, der kræves for at fjerne en elektron fra et stof). A bruges ikke til at betegne arbejdsfunktionen i moderne videnskabelig litteratur ;  er den maksimale kinetiske energi af den udsendte elektron;  er frekvensen af ​​den indfaldende foton med energi  ; h  er Plancks konstant .

Fra denne formel følger eksistensen af ​​den røde grænse for den fotoelektriske effekt ved T = 0 K, det vil sige eksistensen af ​​den laveste frekvens ( ), under hvilken fotonenergien ikke længere er nok til at "slå ud" en elektron fra metal. Fænomenet i de fleste stoffer optræder kun i ultraviolet stråling, men i nogle metaller (lithium, kalium, natrium) er synligt lys også tilstrækkeligt.

Den omvendte polaritetsspænding påført elektroderne reducerer den fotoelektriske strøm, da elektronerne skal gøre ekstra arbejde for at overvinde de elektrostatiske kræfter. Den mindste spænding, der helt stopper fotostrømmen, kaldes retarderende eller blokerende spænding . Den maksimale kinetiske energi af elektroner udtrykkes i form af den retarderende spænding:

Den fotoelektriske effekt er opdelt i overflade , når en fotoelektron flyver ud af overfladelaget af atomer, og volumetrisk , når en fotoelektron flyver ud af volumenet af et fast legeme. Den volumetriske fotoelektriske effekt betragtes i tre faser:

på det første trin exciteres atomets elektron til en exciteret tilstand, på det andet trin, under påvirkning af et trækkende elektrisk felt, når elektronen overfladen, på det tredje trin, hvis elektronenergien er tilstrækkelig til at overvinde den potentielle barriere på overfladen, så flyver den ud af det faste stof. Generelt kan man skrive:

hvor  er en elektrons bindingsenergi i forhold til Fermi-niveauet,  er energitabet af en elektron på vej til overfladen, hovedsagelig på grund af spredning på krystalgitteret,  er den kinetiske energi af en elektron, der udsendes til vakuum.

Fowlers teori

De vigtigste regelmæssigheder af den eksterne fotoelektriske effekt for metaller er godt beskrevet af Fowlers teori [15] [16] . Ifølge den, efter absorptionen af ​​en foton i et metal, overføres dens energi til ledningselektroner, som et resultat af hvilke elektrongassen i metallet består af en blanding af gasser med en normal Fermi-Dirac-fordeling og en exciteret ( forskudt af ) energifordeling.

Fotostrømtætheden bestemmes af Fowler-formlen:

hvor , ,  er nogle konstante koefficienter afhængig af det bestrålede metals egenskaber. Formlen er gyldig ved fotoemissionsexcitationsenergier, der ikke overstiger metallets arbejdsfunktion med mere end et par elektronvolt. Fowlers teori giver resultater, der falder sammen med eksperimentet kun i tilfælde af lys, der falder ind normalt på overfladen.

Kvante output

En vigtig kvantitativ karakteristik af den fotoelektriske effekt er kvanteudbyttet Y, antallet af udsendte elektroner pr. foton, der falder ind på overfladen af ​​et legeme. Y-værdien bestemmes af stoffets egenskaber, tilstanden af ​​dets overflade og fotonenergien.

Kvanteudbyttet af den fotoelektriske effekt fra metaller i de synlige og nære UV-områder er Y < 0,001 elektron/foton. Dette skyldes først og fremmest den lave dybde af fotoelektronudslip, som er meget mindre end dybden af ​​lysabsorption i metallet. De fleste fotoelektroner spreder deres energi, før de nærmer sig overfladen og mister muligheden for at flygte ud i vakuum. Ved fotonenergier tæt på den fotoelektriske effekttærskel exciteres de fleste fotoelektroner under vakuumniveauet og bidrager ikke til fotoemissionsstrømmen. Derudover er refleksionskoefficienten i de synlige og nære UV-områder stor, og kun en lille del af strålingen absorberes i metallet. Disse begrænsninger er delvist ophævet i den fjerneste UV-region af spektret, hvor Y når 0,01 elektron/foton ved fotonenergier E > 10 eV.

Vektoriel fotoelektrisk effekt

Den vektorielle fotoelektriske effekt er fotostrømmens afhængighed af det indfaldende lyss polariseringsretning, hvilket er en konsekvens af manifestationen af ​​lysets bølgeegenskaber. Fotostrømmen stiger især kraftigt, når den elektriske feltstyrkevektoren ligger i indfaldsplanet (følsomheden er meget større i størrelse, og spektralkarakteristikken har et selektivt maksimum) sammenlignet med, når den er vinkelret på indfaldsplanet (fotostrømmen øges monotont med stigende frekvens). Den vektorielle fotoelektriske effekt forklares ved fotostrømmen af ​​elektroner placeret i metallets overfladelag, hvor dobbeltlagets elektriske felt virker og skaber en potentialbarriere [17] [18] [19] .

Intern fotoelektrisk effekt

Den interne fotoelektriske effekt er fænomenet med en stigning i elektrisk ledningsevne og et fald i modstand forårsaget af bestråling [20] . Det forklares ved omfordelingen af ​​elektroner over energitilstande i faste og flydende halvledere og dielektriske stoffer, som opstår under påvirkning af stråling, manifesterer sig i en ændring i koncentrationen af ​​ladningsbærere i mediet og fører til udseendet af fotokonduktivitet eller ventil fotoelektrisk effekt [21] .

Fotoledningsevne er en stigning i den elektriske ledningsevne af et stof under påvirkning af stråling.

Opdagelseshistorie

I 1839 observerede Alexander Becquerel [22] den fotovoltaiske effekt i en elektrolyt.

I 1873 opdagede Willoughby Smith , at selen er fotoledende [23] [24] .

Arter

Ventil fotoelektrisk effekt

Den fotoelektriske porteffekt eller fotoelektriske effekt i barrierelaget  er et fænomen, hvor fotoelektroner forlader kroppen og passerer gennem grænsefladen ind i et andet fast stof ( halvleder ) eller væske ( elektrolyt ).

Fotovoltaisk effekt

Fotovoltaisk effekt  - fremkomsten af ​​en elektromotorisk kraft under påvirkning af elektromagnetisk stråling [25] . Det bruges til at måle intensiteten af ​​indfaldende lys (for eksempel i fotodioder ) eller til at generere elektricitet i solpaneler .

Sensibiliseret fotoelektrisk effekt

En sensibiliseret fotoelektrisk effekt er en fotoelektrisk effekt ledsaget af fænomenet sensibilisering , det vil sige en ændring i størrelsen og spektret af lysfølsomhed i fotoledere med brede mellemrum af organisk og uorganisk natur, afhængigt af strukturen af ​​molekylære forbindelser [26] .

Fotopiezoelektrisk effekt

Den fotopiezoelektriske effekt er fænomenet med fremkomsten af ​​en fotoelektromotorisk kraft i en halvleder under forhold med ekstern uensartet kompression af halvlederen [27] .

Fotomagnetisk effekt

Den fotomagnetiske effekt er fremkomsten af ​​en elektromotorisk kraft i en oplyst homogen halvleder i et magnetfelt [27] .

Nuklear fotoelektrisk effekt

Når en gammastråle absorberes , modtager kernen et overskud af energi uden at ændre dens nukleonsammensætning , og en kerne med et overskud af energi er en sammensat kerne . Som andre nukleare reaktioner er absorptionen af ​​en gammastråle af en kerne kun mulig, hvis de nødvendige energi- og spinforhold er opfyldt. Hvis energien, der overføres til kernen, overstiger bindingsenergien af ​​nukleonen i kernen, så sker henfaldet af den dannede sammensatte kerne oftest med emission af nukleoner, hovedsageligt neutroner . Et sådant henfald fører til nukleare reaktioner og , som kaldes fotonuklear , og fænomenet med emission af nukleoner (neutroner og protoner ) i disse reaktioner er den nukleare fotoelektriske effekt [28] .

Multifoton fotoelektrisk effekt

I et stærkt elektromagnetisk felt kan flere fotoner interagere med et atoms elektronskal i en elementær handling af den fotoelektriske effekt . I dette tilfælde er ionisering af et atom mulig ved hjælp af stråling med fotonenergi . Seks- og syv-foton-ionisering af inerte gasser er blevet registreret [29] .

Samtidsforskning

Som vist ved eksperimenter ved det tyske nationale metrologiske institut Physikalisch-Technische Bundesanstalt , hvis resultater blev offentliggjort den 24. april 2009 i Physical Review Letters [30] , i det bløde røntgenbølgelængdeområde ved en effekttæthed på adskillige peta - watt (10 15 W) pr. kvadratcentimeter kan den generelt accepterede teoretiske model af den fotoelektriske effekt vise sig at være forkert.

Sammenlignende kvantitative undersøgelser af forskellige materialer har vist, at dybden af ​​interaktion mellem stråling og stof i det væsentlige afhænger af strukturen af ​​atomerne i dette stof og korrelationen mellem de indre elektronskaller. I tilfælde af xenon , som blev brugt i eksperimenterne, fører påvirkningen af ​​en fotonpakke i en kort puls tilsyneladende til samtidig udsendelse af mange elektroner fra de indre skaller [31] .

Se også

• Fotoelektronspektroskopi
• solgenerering
• Compton effekt

Noter

1. ↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. , Lebedev A. K. Håndbog i fysik for ingeniører og universitetsstuderende. - M., Onyx, 2007. - Oplag 5100 eksemplarer. - ISBN 978-5-488-01248-6 . - Med. 725
2. ↑ http://www.britannica.com/science/photoelectric-effect Arkiveret 10. januar 2016 på Wayback Machine "Den fotoelektriske effekt blev opdaget i 1887 af den tyske fysiker Heinrich Rudolf Hertz."
3. ↑ H. Hertz (1887), Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung Arkiveret 24. januar 2016 på Wayback Machine (An effect of ultraviolet light on electrical discharge) / Ann. Phys. 267: 983-1000. doi: 10.1002/andp.18872670827  (tysk)
4. ↑ Stig Lundqvist, Fysik, 1901-1921 Arkiveret 4. februar 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  (fransk)  // Comptes Rendus :magasin. - 1888. - Bd. VI . — S. 1149 . (Genoptrykt i Stoletow, MA På en slags elektrisk strøm produceret af ultraviolette stråler  (engelsk)  // Philosophical Magazine Series 5: journal. - 1888. - Vol. 26 , nr. 160. - S. 317. - doi : 10.1080/14786448808628270 ; abstract i Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
7. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-electriques au travers deTair  (fransk)  // Comptes Rendus :magasin. - 1888. - Bd. VI . - S. 1593 . (Sammendrag i Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
8. ↑ Stoletow, A. Suite des recherches actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1888. - T. VII . - S. 91 . (Sammendrag 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  (russisk)  // 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  (fransk)  // Journal de Physique  : magazine. - 1890. - Bd. 9 . - S. 468 . - doi : 10.1051/jphystap:018900090046800 .
12. ↑ TSB, STOLETOV ALEXANDER GRIGORYEVICH
13. ↑ Dukov V. M.  Historiske anmeldelser i løbet af gymnasiefysik. M.: Prosveshchenie 1983. 160 s.
14. ↑ 1 2 3 4 Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Bind 2. - M., Nauka , 1974. - Oplag 169.000 eksemplarer. - Med. 197
15. ↑ Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V. Emissionselektronik . - M . : Nauka, 1966. - S. 564.  (utilgængeligt link)
16. ↑ Fowler, 1931 , s. 45-56.
17. ↑ Voronchev T. A., Sobolev V. D. Fysisk grundlag for elektrovakuumteknologi. - M .: Højere skole, 1967. - s. 217-220
18. ↑ Lukirsky, 1933 .
19. ↑ Lukyanov, 1948 .
20. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Bind 2. - M .: Nauka , 1974. - Oplag 169.000 eksemplarer. - Med. 336
21. ↑ Kireev P. S. Halvlederes fysik. - M .: Højere skole , 1975. - Oplag 30.000 eksemplarer. - 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). "Lysets effekt på selen under passagen af ​​en elektrisk strøm". Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0
24. ↑ TSB, FOTOLEDNING
25. ↑ Fotovoltaisk effekt - artikel fra Great Soviet Encyclopedia . 
26. ↑ Akimov I. A., Cherkasov Yu. A., Cherkashin M. I. Sensibiliseret fotoelektrisk effekt. - M . : Nauka, 1980. - S. 384.
27. ↑ 1 2 Tauc Ya. Foto- og termoelektriske fænomener i halvledere. - M. : IL, 1962. - S. 141.
28. ↑ Klimov A.N. Kernefysik og atomreaktorer. - M . : Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
29. ↑ Kvanteelektronik. Lille encyklopædi. - M . : Soviet Encyclopedia, 1969. - S. 431.
30. ↑ Fysisk. Rev. Lett. 102, 163002 (2009): Ekstrem ultraviolet laser exciterer atomisk kæmperesonans
31. ↑ Begrænsninger af den klassiske fotoelektriske effekt for røntgenstråler opdaget | Nanoteknologi Nanonewsnet . Hentet 27. april 2009. Arkiveret fra originalen 28. april 2009. (ubestemt)

Links

• Fotoeffekt // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
• Fotoelektrisk effekt - artikel fra Physical Encyclopedia

Litteratur

• Lukirsky P. I. Om den fotoelektriske effekt. — L.; M.: Stat. tech.-teor. forlag, 1933. - 94 s.
• Lukyanov S. Yu. Fotoceller. - Moskva ; Leningrad :: Forlag og 2. type. Forlaget Acad. Sciences of the USSR, 1948. - 372 s.
• Ryvkin SM Fotoelektriske fænomener i halvledere. - M. : Fizmatlit, 1963. - 494 s.
• Fowler RH Analysen af ​​fotoelektriske følsomhedskurver for rene metaller ved forskellige temperaturer // Fysisk. Rev. - 1931. - Bd. 38.

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk catalansk Fantastisk catalansk Fantastisk norsk Stor russer jorden rundt Britannica (online) Universalis
I bibliografiske kataloger	GND : 4174487-1 J9U : 987007543512805171 LCCN : sh85101170 NDL : 00566101