Фотоефект – реферат

Фотоефектом називається явище, в якому світло вибиває електрони з речовини. Фотоефект відкрив Герц, коли проводив досліди з іскровим розрядником для створення електромагнітних імпульсів. В напівпровідниках фотоефект може бути ще й внутрішнім, коли електрони, вибиті світлом з вузлів решітки, залишаються всередині кристалу, підвищуючи його електропровідність. Очевидно, швидкість фотоелектронів залежить від енергії світла. Але що таке – «енергія світла»? Слід зауважити, що Герц відкрив багато фізичних ефектів, більшу частину яких пояснити не зміг. Іронія долі в тому, що, доводячи існування електромагнітних хвиль, Герц ненавмисно зробив відкриття, яке першим завдало удару по його хвильової теорії світла. Розберемося по порядку.
З теорії Максвелла-Герца випливає, що з двох світлових хвиль з однаковою частотою хвиля, що має велику амплітуду, переносить більше енергії. Для механічних хвиль це виправдано: чим більше амплітуда хвилі прибою, тим далі на берег вона викине пляшку з запискою. З електромагнітної теорії світла випливає, що освітленість пропорційна амплітуді світлової хвилі. Це означає, чим більше освітленість поверхні зразка, тим більше енергії йому передається, тим більше повинна бути швидкість вибитих фотоелектронів. У дослідах Герца це припущення не підтвердилося.
Столєтов довів, що швидкість фотоелектронів залежить від частоти (кольори) світла, а від ступеня освітленості зразка залежить кількість фотоелектронів. Більш того, якщо частоту світла плавно зменшувати (колір зміщувати в бік червоного), то настає момент, коли світло не може вибити з речовини жодного електрона навіть при підвищеній освітленості. Частоту відсічення фотоефекту Столєтов назвав його червоним кордоном. Існування червоною кордону фотоефекту стало для Герца повною несподіванкою. Він так і не зміг її пояснити.
Зі схожою проблемою зіткнувся Планк, намагаючись теоретично обчислити частку енергії випромінювання Сонця, що припадає на будь-який з кольорів веселки. Планк спирався на теорію Максвелла-Герца. У нього весь час виходило, що зі збільшенням частоти енергія випромінювання повинна зростати. Висновок був такий, що в ультрафіолетовому діапазоні, де частота дуже велика, Сонце випромінює таку немислимо гігантську енергію, що давно повинно згаснути. Іронічний Джинс назвав отриманий Планком результат «ультрафіолетової катастрофою».
Але Планку було не до сміху. У відповідь він висунув ідею, що атоми випромінюють світлові хвилі не безперервно, а порціями (квантами), при цьому енергія кванта залежить тільки від його частоти: ε = hν (51.1). Спираючись на рівняння (51.1), Планк отримав формулу, з якої випливало, що максимум випромінювання енергії Сонця припадає на зелений колір, а ближче до ультрафіолетової кордоні енергія випромінювання різко падає.
Ейнштейн пішов ще далі. Припустивши, що світло не тільки випромінюється, але й поширюється у вигляді частинок фотонів, він легко пояснив особливості фотоефекту (чим накликав на себе немилість Герца). Відповідно до теорії Ейнштейна, один фотон вибиває один електрон, а освітленість поверхні пропорційна кількості фотонів. Якщо частота фотона більше частоти червоною кордону, фотон може вибити електрон з зразка. Чим більше освітленість, тим більше фотонів, тим більше електронів буде вибито. Якщо світло монохроматичне, все фотони мають однакову енергію. Значить, все вибиті електрони будуть мати однакову швидкість, незалежно від ступеня освітленості. Теорія Ейнштейна повністю підтверджується дослідами Столєтова.
Ейнштейн запропонував просте рівняння для фотоефекту: hν = A + mv2 / 2 (51.2), де v – швидкість вибитого електрона, А – робота виходу електрона з даної речовини. З (51.2) випливає, що якщо енергія фотона hν більше роботи виходу А, то фотон не тільки вибиває електрон, але й додатково надає йому швидкість v. Якщо енергія hν дорівнює або менша А, то електрон залишиться всередині речовини. У металах завжди багато вільних електронів, Тому робота виходу для металу дорівнює потенційної енергії електрона провідності всередині злитка. Вимірювання показують, що ця робота дорівнює від трьох до п’яти еВ.
Фотоефект більш цікавий в напівпровіднику, наприклад, в кристалі кремнію, де вільних електронів небагато. Тут процес відбувається у два етапи. Спочатку фотон вибиває електрон з атома кремнію у вузлі кристалічної решітки. Якщо енергія фотона досить велика, електрон відразу вилітає з кристала і виходить зовнішній фотоефект. Якщо ні, електрон залишається всередині. Тому робота виходу для електрона з напівпровідника складається з двох частин: A = A1 + A2 (5.3). Тут A1 це робота, спрямована на відрив електрона від вузла решітки. Тому її величина повинна бути більше ширини забороненої зони. Тоді A2 – це робота з вибивання електрона з напівпровідника. Тому її величина повинна бути більше потенційної енергії електрона провідності в кристалі. Ці величини простіше визначити дослідним шляхом.
Важливе практичне застосування має внутрішній фотоефект, так як він змінює електричні властивості напівпровідника. Якщо підібрати напівпровідник з невеликою шириною забороненої зони, скажімо, менше, 1.0 еВ, то такий кристал буде чутливий до квантам інфрачервоного діапазону. При попаданні на кристал таких квантів вибиті з атомів електрони залишаються всередині, різко збільшуючи число електронів провідності. При цьому опір кристала різко падає, а струм у ланцюзі зростає. На цьому принципі заснована робота інфрачервоних датчиків, пультів управління телевізором, ракетних головок самонаведення, а також інфрачервоних очок і біноклів, які так корисні розвідникам та іншим працівникам невидимого фронту.

Посилання на основну публікацію