Что такое фотоэффект, законы фотоэффекта и применение его на практике

При облучении металлов видимым светом или ультрафиолетовым излучением, часть световых квантов (фотонов) отражается от поверхности, а другая проникает в толщу и там поглощается, отдавая энергию электронам. Если этой энергии достаточно для того, чтобы электрон преодолел силы, удерживающие его внутри атома, носитель отрицательного заряда становится свободным и может двигаться под действием внешнего электрического поля, создавая электрический ток. Это явление называется фотоэффектом.

Открытие фотоэффекта

Впервые проявление фотоэффекта наблюдал Генрих Герц в 1887 году. Он заметил, что при освещении разрядников ультрафиолетом искрообразование при прочих равных условиях облегчается. Это явление впоследствии было названо внешним фотоэффектом, и объяснялось тем, что под действием света электроны покидают металл, ионизируя искровой промежуток.

Немного раньше, в 1873 году, Уиллоби Смит наблюдал, как сопротивление селеновых проводников уменьшается при облучении их от внешнего источника. Так был открыт внутренний фотоэффект. В основе этого явления лежит появление в полупроводнике дополнительных свободных электронов, высвобождающихся под действием видимого света (или ультрафиолета).

Поэтому, когда говорят о фотоэффекте, подразумевается два проявления этого явления:

  • внешний фотоэффект;
  • внутренний фотоэффект.

Хотя в основе лежат одни и те же физические процессы, оба вида фотоэффекта проявляются по-разному.

Часто отдельно выделяется вентильный фотоэффект – когда при облучении видимого света полупроводникового перехода в нём возникает ЭДС.

А.Г. Столетов.
А.Г. Столетов

Интересы Герца, как исследователя, лежали в другой плоскости, поэтому изучать замеченное им явление он не стал. Зато большой вклад в изучение внешнего фотоэффекта внёс в науку русский ученый Александр Григорьевич Столетов. В 1888 году он заново «открыл» фотоэффект и всерьез заинтересовался им. Изучая это явление с помощью собственных экспериментальных установок, он прикладывал напряжение к двум металлическим пластинам, которые находились в вакууме на определенном расстоянии. При облучении одной из пластин потоком света между пластинами возникал ток, названный фототоком. Этот фототок возникал из-за появления свободных электронов, выбитых из пластины фотонами, и его можно зарегистрировать предусмотренным для этого миллиамперметром.

Схема установки Столетова для изучения фотоэффекта.
Схема установки Столетова для изучения фотоэффекта

Если напряжение между пластинами отрицательно, ток в цепи отсутствует. Электронам не хватает кинетической энергии, чтобы преодолеть силы электрического поля. При уменьшении отрицательной разности потенциалов (движении в сторону нуля) в какой-то момент возникает ток. Напряжение в этот момент позволяет определить кинетическую энергию фотоэлектронов, и называется задерживающим напряжением. При увеличении разности потенциалов в положительную сторону ток возрастает, но в какой-то момент достигает порогового значения, называемого фототоком насыщения. При его достижении, количества выбитых электронов не хватает для дальнейшего увеличения тока.

Законы фотоэффекта

Столетов эмпирически вывел закон: фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности излучения. Чем выше интенсивность света, тем больше ток насыщения. Иными словами, чем выше интенсивность светового потока, тем больше электронов исходит из твердого тела. Этот закон называется первым законом фотоэффекта.

Ток насыщения для трех значений светового потока, где Ф1> Ф2> Ф3.
Ток насыщения для трех значений светового потока, где Ф1> Ф2> Ф3

Второй закон фотоэффекта гласит, что кинетическая энергия электронов, выбитых из заданного металла, линейно возрастает с повышением частоты светового излучения (с приближением к фиолетовому участку спектра и заходом в ультрафиолетовую область), но не зависит от интенсивности светового потока.

Большой вклад в изучение данного явления внес Альберт Эйнштейн. На основе квантовой теории он дал теоретическое обоснование фотоэффекта. Согласно изысканиям Эйнштейна, электрон поглощает фотон получает порцию энергии, которая позволяет ему вылететь за пределы кристаллической решетки металла. Часть энергии тратится на совершение работы выхода – то есть, на преодоление сил, удерживающих его внутри металла. Остаток энергии определяет кинетическую энергию электрона:

hν = A + (me*vm2)/2, где:

  • hν – энергия фотона, зависящая от частоты;
  • А – работа по преодолению внутренних сил, которая называется работой выхода;
  • (me*vm2)/2 – кинетическая энергия фотона после совершения работы выхода.

Эта формула названа формулой Эйнштейна для фотоэффекта. Она подтверждает и объясняет второй закон фотоэффекта. Из нее очевидно, что при снижении частоты фотона кинетическая энергия электрона после выхода из вещества будет снижаться.

Красная граница фотоэффекта

 При достижении определенной граничной частоты энергии фотона хватит лишь для того, чтобы заставить электрон совершить работу выхода (кинетическая энергия станет равной нулю). Если частота фотона будет ниже этого нижнего предела, то энергии фотона не хватит на совершение работы выхода, и фотоэффекта не произойдет. Это также прямо следует из формулы Эйнштейна.

Граничная частота νmin определяет нижнюю границу, при которой возможен выход электрона из вещества. При этом А= hνmin. Этой частоте соответствует наибольшая критическая длина волны λкр =с/ νmin, и А=h*c/ λкр.

Так как со снижением частоты (увеличением длины волны) цвет видимого излучения приближается к красному, то этот предел называют «красной границей» внешнего фотоэффекта. Она определяется свойствами вещества, которое облучается фотонами, и не зависит от интенсивности светового излучения (от количества фотонов). Так, для серебра λкр = 260 нм, а для цезия λкр = 620 нм. Кроме того, νmin зависит от состояния облучаемой поверхности материала, на которую падают кванты света. Закон красной границы называется третьим законом фотоэффекта.

Использование фотоэффекта на практике

На практике фотоэффект применяется для превращения энергии света в электрическую энергию. В науке и технике широко используют фотоэлементы – устройства, изменяющие электрические свойства при облучении их видимым светом. Это позволяет обнаружить наличие / отсутствие света или изменение его интенсивности.

Внешний фотоэффект обычно используется в вакуумных фотоэлементах. Два электрода – катод и анод – располагают в стеклянной колбе, из которой откачан воздух. Катод выполняют из металла с малой работой выхода. Если к катоду и аноду приложить напряжение соответствующей полярности, то электрического тока в цепи не будет. А если на катод будет падать свет, то он начнет испускать электроны. За счет этой эмиссии в цепи пойдет ток. Такие приборы имеют сложную и неудобною конструкцию, их область применения постоянно сокращается за счёт распространения полупроводниковых фотоэлементов.

Вакуумный фотоэлемент и включение его в цепь.
Вакуумный фотоэлемент и включение его в цепь

В полупроводниковых устройствах используется внутренний фотоэффект. Например, фоторезистор состоит из диэлектрической подложки, на которую напылён проводящий слой. Поверх него змейкой нанесён полупроводник, в котором в нормальном состоянии имеется небольшое количество основных носителей, его сопротивление велико, и ток (при приложении напряжения) через этот элемент невелик. Но как только на полупроводник попадает свет, за счёт внутреннего фотоэффекта высвобождается большое количество электронов, сопротивление падает, и ток в цепи резко возрастает.

Внутреннее устройство фоторезистора.
Внутреннее устройство фоторезистора

При этом величина сопротивления фотоэлемента (следовательно, тока в цепи), независимо от его конструкции, зависит от уровня освещённости, а также от спектра падающего излучения. Поэтому по изменению тока через фотоэлемент можно судить не только о наличии света, но и о его интенсивности, а также цвете (или цветовой температуре).

Зависимость сопротивления фоторезистора от уровня освещенности.
Зависимость сопротивления фоторезистора от уровня освещенности

Это свойство фотоэлементов используется в различных приборах:

  • фотореле (для счёта предметов или включения освещения;
  • светочувствительных матрицах электронных фотоаппаратов и видеокамер;
  • оптических измерительных приборы;
  • прочих устройствах, реагирующих на изменение освещенности.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы с p-n переходом, принцип работы которых построен на вентильном фотоэффекте. Во время этого явления электродвижущая сила (называемая фотоЭДС) возникает при отсутствии других воздействий. Если соединить противоположные области p-n перехода проводником, в нём возникнет ток. Это даёт два принципиальных преимущества перед обычными фотоэлементами:

  • они могут формировать сигнал, зависимый от падающего светового излучения, без внешнего источника питания;
  • подобные фотоэлементы напрямую преобразовывают энергию фотонов в электроэнергию.

Вторая особенность позволяет создавать эффективные «солнечные батареи» — источники электроэнергии, преобразующие энергию солнца в электрический ток.

Так выглядели первые солнечные батареи.
Первые солнечные батареи выглядели так

Впервые попытка промышленного использования даровой электроэнергии, полученной из солнечного света, была осуществлена в США еще в XIX веке. Но на тот момент стоимость таких устройств была большой, а КПД низким. По мере развития технологий, строить солнечные панели становилось все дешевле, а коэффициент преобразования становился всё выше. На сегодняшний день это направление «зеленой» энергетики успешно развивается и часто составляет серьезную конкуренцию традиционным способам выработки.

Таким образом, открытое около полутора веков явление поставлено на службу человеку. Явление неплохо изучено с точки зрения физики, но, скорее всего, некоторые открытия ещё впереди.

Похожие статьи:
Ссылка на основную публикацию
OdinElectric.ru - Сайт об электрике и для электриков Adblock
detector