Фотоэффекты

Содержание
Введение
Теоретические аспекты фотоэффекта
Применение фотоэффекта в современном мире
Заключение
Список использованной литературы

Фотоэффекты

При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают анода. С увеличение разности потенциалов между анодом и катодом сила тока нарастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения, называемого фототоком насыщения, то есть все электроны достигли анода. Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при некотором задерживающем напряжении Uз она станет равной нулю. В этом случае электрическое поле тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод. Вольтамперная характеристика при фотоэффекте (зависимость фототока от приложенного напряжения) приведена на Рис. 3. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – задерживающее напряжение.
Рис. 3. Вольтамперная характеристика
К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты света (Рис. 4).
Рис. 4. Зависимость задерживающего напряжения Uз от частоты падающего света.
В начале20-го века несколько ученых, в том числе российский физик А.Г. Столетов, установили на опыте следующие законы фотоэффекта.
1. Количество электронов, вырываемых светом ежесекундно с поверхности металла, прямо пропорционально поглощенной энергии света.
2. Максимальная кинетическая энергия вырванных электронов прямо пропорциональна частоте падающего света и не зависит от интенсивности. Увеличение частоты света не приводит к росту числа выбитых электронов, а приводит к увеличению их максимальной кинетической энергии:
3. Когда частота падающего света меньше некоторого определенного значения νmin, называемого красной границей фотоэффекта, фотоэффект не происходит.
Название «красная граница фотоэффекта» обусловлена тем, что это граничное значение частоты света, вызывающего фотоэффект, со стороны малых частот или больших длин волн. А большие длины волн соответствуют красной части видимого спектра. Однако на самом деле красная граница фотоэффекта далеко не всегда соответствует красному цвету. Например, для цинка она лежит в ультрафиолетовой области. Для калия красная граница фотоэффекта соответствует желтому цвету, а для цезия - оранжевому.
Первый закон фотоэффекта можно объяснить с помощью классической физики, но второй и третий законы не находят в ней объяснения.
Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода.
Теоретическое обоснование явления фотоэффекта и его законов было дано в 1905 году Альбертом Эйнштейном. На основе гипотезы Макса Планка об излучении и поглощении света отдельными порциями Эйнштейн решил возродить побежденную корпускулярную теорию света и предположил, что свет представляет собой поток частиц, которые впоследствии назвали фотонами.
При падении света на металл большая часть фотонов просто поглощается, вызывая нагревание. Некоторые фотоны взаимодействуют со свободными электронами. Если это взаимодействие приводит к выбиванию электрона из металла, то энергия фотона идет на совершение работы выхода электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии. Так из закона сохранения энергии получается уравнение Эйнштейна:
Оно объясняет все законы фотоэффекта.
Применение фотоэффекта в современном мире
Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. Фотоэлементы (с использованием полупроводников - германия и особенно кремния) способны превращать довольно значительную световую энергию в электрическую и применяются для использования солнечной энергии (солнечные батареи). Солнечные батареи площадью в десятки квадратных метров обеспечивают электроснабжение искусственных спутников Земли. Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).
Фотоэлементы используют при считывании информации (изображения, звука или данных) с оптических дисков (CD/DVD/Blue-Ray), которые являются сегодня одной из наиболее распространенных форм записей и хранения информации. На оптическом диске информация записана на спиральной дорожке в виде крошечных углублений. При вращении диске в лазерном проигрывателе по дорожке скользит лазерный луч, и изменение интенсивности отраженного луча распознается фотоэлементом, который превращает их в электрические сигналы.
Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.
Фотоэффект используется также при создании фотоэлементов - приборов, с помощью которых можно управлять включением и выключением механизмов, уличным освещение и др.
Фотоэлемент применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами (когда рука рабочего оказывается в опасной зона, она перекрывает луч света, попадающий на фотоэлемент, вследствие чего останавливается станок или другой механизм).
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.
С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.