Фотоэффект

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (фотонов).

Квантовая механика

$\Delta x\cdot\Delta p \geqslant \frac{\hbar}{2}$

Принцип неопределённости

Введение ... Математическая формулировка ... Основа Классическая механика · Интерференция · Бра и кет · Гамильтониан Фундаментальные понятия Квантовое состояние · Волновая функция · Суперпозиция · Запутанность · Измерение · Неопределённость · Запрет Паули · Дуализм · Декогеренция · Теорема Эренфеста · Туннелирование Эксперименты Опыт Дэвиссона — Джермера · Опыт Поппера · Опыт Штерна — Герлаха · Опыт Юнга ·Проверка неравенств Белла · Фотоэффект · Эффект Комптона Формулировки Картина Шрёдингера · Картина Гейзенберга · Картина взаимодействия · Матричная квантовая механика · Интегралы по траекториям Уравнения Уравнение Шрёдингера · Уравнение Паули · Уравнение Клейна — Гордона · Уравнение Дирака Интерпретации Копенгагенская интерпретация · Теория скрытых параметров · Многомировая Сложные темы Квантовая теория поля · Квантовая гравитация · Теория всего Известные учёные Планк · Эйнштейн · Шрёдингер · Гейзенберг· Йордан · Бор · Паули · Дирак · Фок · Борн · де Бройль · Ландау · Фейнман · Бом · Эверетт

На диаграмме показан процесс выбивания электронов из металлической пластины под действием энергии фотонов

Схема эксперимента по исследованию фотоэффекта. Из света берется узкий диапазон частот и направляется на катод внутри вакуумного прибора. Напряжением между катодом и анодом устанавливается энергетический порог между ними. По току судят о достижении электронами анода.

Фотоэффект – квантовое явление. C открытием фотоэффекта и его исследование экспериментально обосновали квантовую теорию. На ее основе оказалось возможным объяснение закономерностей Фотоэффекта: т.е. свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и, например, электрического сигнала. Фотоэффект из молекулы или конденсированной среды возможен только из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется энергией ионизации, в конденсированной среде — работой выхода.

В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

История открытия

В 1839 году Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите. В 1873 году Виллоби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается. Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения. В 1888-1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта. Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта: $$h \nu = A_{out} + \frac{mv^2}{2}$$ где $A_{out}$ — т.н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), $\frac{mv^2}{2}$ — максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона, $\! \nu$ — частота падающего фотона с энергией $~h \nu$, $~h$ — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, т.е. существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы "выбить" электрон из металла при температуре 0 К. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества, на работу, которую необходимо совершить для того, чтобы "вырвать" электрон, и остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод - электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию света.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны света называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 сек, прямо пропорционально интенсивности света):
   $I_n~E_e$ и $n_{\rm cek}~E_e$
2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света $\nu_0$ при которой фотоэффект ещё возможен.

Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. 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 света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например, в p-n переходе).

Вентильный фотоэффект

Вентильным фотоэффектом называется явление, когда фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твердое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).