Адкрыць галоўнае меню

Фотаэфект[1] — 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 ўнутрнаным фотаэфекте аптычна ўзбуджаныя эелектроны застаюцца ўнутры асвячаемага цела, не парушая электрычную нейтральнасць апошняга. Для абгрунтавання гіпотэзы фатонаў асноўнае значэнне мае з'ява вонкавага фотаэфекту.

Квантавая механіка

Прынцып нявызначанасці Гейзенберга
Уводзіны
Матэматычныя асновы

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 (або найбольшая даўжыня хвалі λ0 ), пры якой фотаэфект яшчэ магчымы, і калі 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 ν кожны, дзе hпастаянная 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 φ, пакідае метал:

дзе — максімальная кінетычная энергія, якую мае электрон пры вылеце з металу.

Гісторыя адкрыццяПравіць

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 ў 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 вылучна, 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 вышэй электрастаноўчасць металу, тым ніжэй межавая частата, пры якой ён робіцца фотаадчувальным. Томсан у 1898 годзе эксперыментальна ўсталяваў, што струмень электрычнага зарада, што выходзіць з металу пры вонкавым фотаэфекце, уяўляе сабой струмень адкрытых ім раней часціц (пазней названых электронамі). Таму павялічэнне фотатоку з узростам асветленасці патрэбна разумець як павялічэнне ліку выбітых электронаў з узростам асветленасці.[2]

 
Схема эксперыменту па даследаванню фотаэфекту. Са святла вядзяляецца 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:

 

дзе φ — т.зв. работа выхаду (мінімальная энергія, неабходная для выдалення электрона з рэчыва),   — максімальная кінетычная энергія электрона,   — частата падаючага фатона з энергіяй h ν.

Вонкавы фотаэфектПравіць

 
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 выхадПравіць

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 фотаэфектуПравіць

 
Малюнак 1. Схема для вывучэння знешняга фотоэфекта

Вонкавы фотаэфект даследуюць на ўстаноўцы, прадстаўленай на мал. 1.[3] Два электрода (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, эмітуемых у вакуум з паверхні катода ў прычыны фотаэфекту, перамяшчаюцца ў вакууме пад дзеяннем электрычнага поля да анода. Ток у ланцугу вымяраюць амперметрам. Залежнасць фототока Іф ад напружання паміж электродамі U (вольт-ампернай характарыстыка), якая адпавядае розным значэнняў інтэнсіўнасці I запаленага святла, прыведзена на мал. 2.[3]

 
Малюнак 2. Залежнасць фототока ад напружання

Характарыстыка здымаецца пры нязменнай частаце святла ν. 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 хуткасцямі. Максімальнае значэнне току Іфн (фотаток насычэння) вызначаецца такім значэннем U, пры якім усе электроны, выпусканых катодам, дасягаюць анода:

 

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 хуткасцю V, а значыць, і выдатнай 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 затрымліваюшчага напружанне Uз (адмоўнае). Пры такім напружанні нават электронам, якія валодаюць пры вылеце з катода найбольшым значэннем хуткасці Vm, не ўдаецца дасягнуць анода. Такім чынам, можам запісаць, што:

 

дзе m − маса электрона, Vm − максімальная хуткасць электрона.

Зноскі

  1. Бутиков Е.И. Оптика. -- М.: Высшая школа, 1986. -- С. 456−466.
  2. Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика // Общий курс физики — Часть 1
  3. 3,0 3,1 Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М.: Высшая школа, 1978. С. 360−371.

ЛітаратураПравіць

  • Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика // Общий курс физики. — Т. 1.

СпасылкіПравіць