Фотаэфект

Фотаэфект — гэта выпусканне электронаў рэчывам пад дзеяннем святла (і, наогул кажучы, любога электрамагнітнага выпраменьвання). У кандэнсаваных рэчывах (цвёрдых і вадкіх) вылучаюць вонкавы і ўнутраны фотаэфект. Пры вонкавым фотаэфекце электроны вызваляюцца светам з павярхоўнага пласта рэчыва і пераходзяць у іншае асяроддзе, часцей за ўсё ў вакуум. Пры ўнутраным фотаэфекце аптычна ўзбуджаныя электроны застаюцца ўнутры асвячаемага цела, не парушаючы электрычную нейтральнасць апошняга. Для абгрунтавання гіпотэзы фатонаў асноўнае значэнне мае з’ява вонкавага фотаэфекту.

Квантавая механіка

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

Прынцып нявызначанасці Гейзенберга

Уводзіны Матэматычныя асновы Аснова Класічная механіка · Інтэрферэнцыя · Бра і кет · Гамільтаніян · Старая квантавая тэорыя Фундаментальныя паняцці Квантавы стан · Квантавая назіраемая · Хвалевая функцыя · Квантавая суперпазіцыя · Квантавая счэпленасць · Змяшаны стан · Вымярэнне · Нявызначанасць · Прынцып Паўлі · Дуалізм · Дэкагерэнцыя · Тэарэма Эрэнфеста · Тунэльны эфект Эксперыменты Вопыт Дэвісана — Джэрмера · Вопыт Попера · Вопыт Штэрна — Герлаха · Вопыт Юнга · Праверка няроўнасцей Бела · Фотаэфект · Эфект Комптана Фармулёўкі Прадстаўленне Шродзінгера · Прадстаўленне Гейзенберга · Прадстаўленне ўзаемадзеяння · Матрычная квантавая механіка · Інтэгралы па траекторыях · Дыяграмы Фейнмана Ураўненні Ураўненне Шродзінгера · Ураўненне Паўлі · Ураўненне Клейна — Гордана · Ураўненне Дзірака · Ураўненне фон Неймана · Ураўненне Блоха · Ураўненне Ліндблада · Ураўненне Гейзенберга Інтэрпрэтацыі Капенгагенская інтэрпрэтацыя · Тэорыя схаваных параметраў · Шматсусветная Развіццё тэорыі Квантавая тэорыя поля · Квантавая электрадынаміка · Квантавая хромадынаміка · Квантавая гравітацыя Складаныя тэмы Квантавая тэорыя поля · Квантавая гравітацыя · Тэорыя ўсяго Вядомыя вучоныя Планк · Эйнштэйн · Шродзінгер · Гейзенберг · Ёрдан · Бор · Паўлі · Дзірак · Фок · Борн · дэ Бройль · Ландау · Фейнман · Бом · Эверэт

Законы фотаэфекту:

Першы закон фотаэфекту: Сіла фотатоку прама прапарцыйная шчыльнасці светлавога патоку.

Другі закон фотаэфекту: Максімальная кінетычная энергія электронаў, што выбіваюцца святлом, лінейна ўзрастае з частатой святла і не залежыць ад яго інтэнсіўнасці.

Трэці закон фотаэфекту: Для кожнага рэчыва існуе чырвоная мяжа фотаэфекту, г.зн. найменшая частата святла $\nu _{0}$ (або найбольшая даўжыня хвалі $\lambda _{0}$), пры якой фотаэфект яшчэ магчымы, і калі $\nu <\nu _{0},$ то фотаэфект ужо не адбываецца.

Тэарэтычнае тлумачэнне гэтых законаў даў у 1905 г. А. Эйнштэйн. Паводле Эйнштэйна, электрамагнітнае выпраменьванне ўяўляе сабой паток асобных квантаў (фатонаў) з энергіяй $h\nu$ кожны, дзе h — пастаянная Планка. Пры фотаэфекце частка электрамагнітнага выпраменьвання ад паверхні металу адбіваецца, а частка пранікае ўнутр паверхневага пласта металу і там паглынаецца. Паглынуўшы фатон, электрон атрымлівае ад яго энергію і, здзяйсняючы работу выхаду $\varphi$, пакідае метал:

$h\nu =\varphi +W_{e},$

дзе $W_{e}$ — максімальная кінетычная энергія, якую мае электрон пры вылеце з металу.

Гісторыя адкрыцця

У 1839 годзе Аляксандр Бекерэль назіраў з’яву фотаэфекту ў электраліце.

У 1873 годзе Уілаўбі Сміт выявіў, што селен з’яўляецца фотаправадніком. Вонкавы фотаэфект адкрыў у 1887 годзе Генрых Герц. Пры працы з адкрытым рэзанатарам ён заўважыў, што калі пасвяціць ультрафіялетам на цынкавы разраднік, то праходжанне іскры прыкметна палягчаецца.

Даследаванні фотаэфекту паказалі, што насуперак класічнай электрадынаміцы энергія вылятаючага электрона заўсёды строга звязана з частатой падаючага выпраменьвання і практычна не залежыць ад інтэнсіўнасці апрамянення.

У 1888—1890 гадах фотаэфект сістэматычна вывучаў рускі фізік Аляксандр Сталетаў, які апублікаваў 6 прац. Ён зрабіў некалькі важных адкрыццяў у гэтай галіне, у тым ліку вывеў першы закон вонкавага фотаэфекту. Яшчэ Сталетаў прыйшоў да высновы, што «разраджаючым дзеяннем валодаюць, калі не выключна, то з велічэзнай перавагай перад іншымі промнямі, промні самай высокай пераломлівасці, што адсутнічаюць у сонечным спектры»; гэта значыць, што ён ушчыльную падышоў да высновы пра існаванне чырвонай мяжы фотаэфекту.

У 1891 годзе Эльстар і Гейтэль пры вывучэнні шчолачных металаў дашлі да высновы, што чым вышэйшая электрастаноўчасць металу, тым ніжэйшая межавая частата, пры якой ён робіцца фотаадчувальным. Томсан у 1898 годзе эксперыментальна ўсталяваў, што струмень электрычнага зараду, што выходзіць з металу пры вонкавым фотаэфекце, уяўляе сабой струмень адкрытых ім раней часціц (пазней названых электронамі). Таму павелічэнне фотатоку з ростам асветленасці патрэбна разумець як павелічэнне ліку выбітых электронаў з ростам асветленасці.

Схема эксперыменту па даследаванню фотаэфекту. Са святла выдзяляецца вузкі дыяпазон частот і накіроўваецца на катод унутры вакуумнага прыбора. Напружанне паміж катодам і анодам утварае энергетычны парог паміж імі. Наяўнасць току сведчыць аб тым, што электроны дасягнулі анода.

Фотаэфект быў растлумачаны ў 1905 годзе Альбертам Эйнштэйнам (за што ў 1921 годзе, праз намінацыю шведскім фізікам Карлам Вільгельмам Азеенам, атрымаў Нобелеўскую прэмію) на аснове гіпотэзы Макса Планка пра квантавую прыроду святла. У працы Эйнштэйна змяшчалася важная новая гіпотэза — калі Планк у 1900 годзе выказаў здагадку, што святло выпраменьваецца толькі квантаванымі порцыямі, то Эйнштэйн ужо лічыў, што святло і існуе толькі ў выглядзе квантаваных порцый. З закона захавання энергіі, калі лічыць святло патокам часціц (фатонаў), вынікае формула Эйнштэйна для фотаэфекту:

$h\nu =\varphi +{\frac {mv^{2}}{2}},$

дзе $\varphi$ — т.зв. работа выхаду (мінімальная энергія, неабходная для выдалення электрона з рэчыва), ${\frac {mv^{2}}{2}}$ — максімальная кінетычная энергія электрона, $\nu$ — частата падаючага фатона з энергіяй $h\nu$.

Вонкавы фотаэфект

Вонкавы фотаэфект

Вонкавым фотаэфектам (фотаэлектроннай эмісіяй) называецца выпусканне электронаў рэчывам пад дзеяннем электрамагнітных выпраменьванняў. Электроны, якія вылятаюць з рэчыва пры вонкавым фотаэфекце, называюцца фотаэлектронамі, а электрычны ток, які ўзнікае пры іх упарадкаваным руху ў вонкавым электрычным полі, называецца фотатокам.

Фотакатод — электрод вакуумнага электроннага прыбора, які непасрэдна падвяргаецца ўздзеянню электрамагнітных выпраменьванняў, і адкуль выбіваюцца электроны пад дзеяннем гэтага выпраменьвання.

Залежнасць спектральнай адчувальнасці ад частаты або даўжыні хвалі электрамагнітнага выпраменьвання называюць спектральнай характарыстыкай фотакатода.

Квантавы выхад

Важнай колькаснай характарыстыкай фотаэфекту з’яўляецца квантавы выхад Y — колькасць эмітаваных электронаў у разліку на адзін фатон, які падае на паверхню цела. Велічыня Y вызначаецца ўласцівасцямі рэчыва, станам яго паверхні і энергіяй фатонаў. Квантавы выхад фотаэфекту з металаў у бачнай і бліжняй УФ-абласцях Y < 0,001 электрон / фатон. Гэта звязана перш за ўсё з малою глыбінёй выхаду фотаэлектронаў, якая значна меншая за глыбіню паглынання святла ў метале. Большасць фотаэлектронаў рассейвае сваю энергію да падыходу да паверхні і губляе магчымасць выйсці ў вакуум. Пры энергіі фатонаў каля парога фотаэфекту большасць фотаэлектронаў узбуджаецца ніжэй за ўзровень вакууму і не дае ўкладу ў фотаэмісійны ток. Акрамя таго, каэфіцыент адбівання ў бачнай і бліжняй УФ-абласцях вялікі, і толькі малая частка выпраменьвання паглынаецца ў метале. Гэтыя абмежаванні часткова здымаюцца ў дальняй УФ-вобласці спектру, дзе Y дасягае велічыні 0,01 электрон / фатон пры энергіі фатонаў E > 10 эв.

Прасцейшая схема для выяўлення фотаэфекту

Малюнак 1. Схема для вывучэння знешняга фотаэфекту

Вонкавы фотаэфект даследуюць на ўстаноўцы, прадстаўленай на мал. 1. Два электроды (анод і катод) змешчаны ў вакууміраваны балон. Ад вонкавай крыніцы святла асвятляюць катод, выраблены з доследнага матэрыялу. Паміж анодам і катодам прыкладваюць рознасць патэнцыялаў (плюс на анодзе). Электроны, эмітуемыя ў вакуум з паверхні катода з прычыны фотаэфекту, перамяшчаюцца ў вакууме пад дзеяннем электрычнага поля да анода. Ток у ланцугу вымяраюць амперметрам. Залежнасць фотатоку $\mathrm {I} _{\text{ф}}$ ад напружання паміж электродамі U (вольт-амперная характарыстыка), якая адпавядае розным значэнням інтэнсіўнасці I запаленага святла, прыведзена на мал. 2.

Малюнак 2. Залежнасць фотатоку ад напружання

Характарыстыка здымаецца пры нязменнай частаце святла $\nu$. Відаць, што з павелічэннем U фотаток узрастае і пры пэўным напружанні дасягае насычэння. Спадзісты ход крывых паказвае на тое, што электроны вылятаюць з катода з рознымі скарасцямі. Максімальнае значэнне току $\mathrm {I} _{\text{фн}}$ (фотаток насычэння) вызначаецца такім значэннем U, пры якім усе электроны, выпусканыя катодам, дасягаюць анода:

$\mathrm {I} _{\text{фн}}=en,$

дзе е − зарад электрона, n − лік электронаў, выпусканых катодам у адзінку часу.

З ВАХ вынікае, што пры $U=0$ фотаток не знікае. Такім чынам, электроны, выбітыя святлом з катода, валодаюць некаторай пачатковай скорасцю V, а значыць, і адрознай ад нуля кінетычнай энергіяй. Частка электронаў дасягае анода і без прыкладання знешняга электрычнага поля. Для таго каб фотаток прыняў нулявое значэнне, паміж анодам і катодам неабходна прыкласці затрымліваючае напружанне $U_{\text{з}}$ (адмоўнае). Пры такім напружанні нават электронам, якія валодаюць пры вылеце з катода найбольшым значэннем скорасці $V_{m}$, не ўдаецца дасягнуць анода. Такім чынам, можам запісаць, што:

${mV_{m}^{2} \over 2}=eU_{\text{з}},$

дзе m − маса электрона, $V_{m}$ − максімальная скорасць электрона.

Літаратура

• Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика // Общий курс физики. — Т. 1.
• Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.
• Калитеевский Н. И. Волновая оптика. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1978.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1980.
• Ландсберг Г. С. Оптика. Изд. 5-е. М.: Наука, 1976.
• Руководство к лабораторным занятиям по физике / под ред. Л. Л. Гольдина. Наука, 1973.
• Физический практикум / под ред. Г. С. Кембровского. Мн., 1986.

Спасылкі

• Фотаэлектрычны эфект