Фотоэффект и его виды

Применение фотоэффекта

Фотоэффект нашел широкое практическое применение в медицине, технике и других сферах. Превращение света в электрический ток используется для передачи изображения на огромные расстояния. Это используется в телевидении.

Фотоэлементы применяют при считывании информации с оптических дисков. Их же применяют, например, в солнечных батареях для получения электроэнергии. Недавно фотоэффект начали применять в уличном освещении, специальные фотоэлементы сами распознают, когда нужно включить или выключить освещение. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях.

Внутреннему фотоэффекту нашлось применение в категориях устройств, преобразующих световую энергию в электрическую или изменяющих свои свойства под действием падающего света: фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фотомикросхемы.

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

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

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.

Внутренний фотоэффект[]

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта. Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например, в p-n переходе).

Открытие фотоэффекта

Во второй половине XIX в. Г. Герц исследовал условия возникновения электрического пробоя промежутка между электродами. Было обнаружено, что пробой (возникновение искры) сильно облегчается, если освещать электроды ультрафиолетовым излучением. Это явление было названо фотоэффектом. Г. Герц опубликовал результаты своих наблюдений, однако никакого объяснения им он не дал. Первым исследователем, тщательно изучившим фотоэффект, был А. Столетов. Он же разработал первую теоретическую модель фотоэффекта.

Схема опыта А. Столетова следующая. Используется запаянная колба с вакуумом, в которую введены два электрода. К электродам подключено внешнее напряжение, катод может освещаться через специальное кварцевое окно (обычное стекло задерживает ультрафиолетовые лучи). Для определения тока в цепи используется амперметр.

Рис. 1. Опыт Столетова: фотоэффект.

Если катод затемнен, ток в цепи не идет. Освещение катода приводит к появлению тока, даже если напряжение между электродами равно нулю. При увеличении этого напряжения ток сперва растет, а потом достигает насыщения и далее остается постоянным. При подаче обратного напряжения ток начинает уменьшаться, пока не уменьшится до нуля.

На основе наблюдений А. Столетов вывел закон фотоэффекта: сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения.

Рис. 2. График фототока от напряжения.

История открытия

Об истории открытия внешнего фотоэффекта

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Генрих Герц был основоположником и первооткрывателем внешнего фотоэффекта. В 1887 году он проводил исследования с открытым резонатором и заметил, что при освещении ультрафиолетом цинкового разрядника (электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электрических сетях и установках), прохождение искры заметно облегчается.

Позже, в 1891 году немецкие физики-экспериментаторы Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным.

В 1898 году английский физик Томсон с помощью экспериментов выяснил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещенности понимают как увеличение количества выбитых электронов с ростом освещенности.

Немецкий физик Филипп Ленард в 1900 — 1902 годах продолжал исследования предшественников. Ему стало понятно что, энергия вылетающего электрона всегда связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

Используя свои исследования и результаты исследований других физиков-экспериментаторов (в особенности гипотезу о квантовой природе света Макса Планка), Альберт Эйнштейн дал окончательное объяснение и определение явлению фотоэффекта в 1905 году. За что в 1921 году он получил Нобелевскую премию.

В работе Эйнштейна содержалась новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций.

В 1906 — 1915 годах фотоэффект заинтересовал Роберта Милликена. Он установил точную зависимость запирающего напряжения от частоты и на его основании смог вычислить постоянную Планка. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики за исследования элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах, фотоумножителях, в видиконах (трубки телекамер и видеокамер).

Об истории открытия внутреннего фотоэффекта

В 1839 году Александр Беккерель зарегистрировал фотовольтаический эффект в электролите. А в 1873 году Уиллоуби Смиту удалось выяснить, что селен является фотопроводящим.

Ядерный фотоэффект

Ядро при поглощении гамма-кванта получает избыток энергии и становится составным ядром. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведет к ядерным реакциям, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Теория фотоэффекта

Попытки описания фотоэффекта с точки зрения электродинамики Максвелла не привели к успеху. Энергия выбитых из вещества электронов не зависела от мощности облучения, но зависела от его частоты. Более того, если облучение имело частоту ниже некоторого значения (красной границы фотоэффекта), фотоэффект вообще исчезал, что было необъяснимо в рамках классических представлений.

Объяснить наблюдаемые закономерности удалось А. Эйнштейну в 1905 г. Для этого пришлось отказаться от максвелловского представления света как непрерывной электромагнитной волны.

В 1900 г. М. Планк разрабатывал теорию теплового излучения и пришел к выводу, что оно излучается не непрерывно, а порциями — квантами. Причем энергия кванта пропорциональна частоте:

$$E=h\nu$$,

где:

• $\nu$ — частота кванта;
• $h=6,63×10^{-34}$Дж×с — специальный коэффициент, названный постоянной Планка.

А. Эйнштейн развил эту гипотезу, утверждая, что и тепловое излучение, и свет не только испускается, но и поглощается и всегда существует только в виде таких квантов. Квант света (фотон) неделим, он может быть только целиком поглощен или целиком испущен.

Рис. 2. Основные свойства фотона.

Все эти утверждения позволяют объяснить закономерности фотоэффекта. Для того чтобы выбить электрон из атома, необходимо сообщить ему некоторую энергию, которая называется работой выхода $A_{вых}$, специфичную для каждого вещества. Если фотоны не обладают такой энергией, электроны не будут выбиты, фотоэффект исчезает:

$$h\nu > A_{вых}$$

А поскольку энергия фотона пропорциональна частоте, то фотоэффект исчезает, если частота света окажется менее некоторой минимальной частоты, которая называется «красной границей фотоэффекта»:

$$\nu_{кр.гр} = {A_{вых}\over h}$$

Фотоэффект возможен только для излучения с большей частотой. Часть энергии фотона будет затрачена на вырывание электрона из вещества, а остаток этой энергии будет сообщен электрону в виде кинетической энергии:

$$h\nu = A_{вых}+{m_эv^2\over 2}$$

Из этой формулы можно понять, почему энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности облучения. Интенсивность облучения — это количество фотонов, падающих на вещество в единицу времени. Если ее увеличивать (при постоянной частоте излучения), то это приведет к увеличению числа выбитых электронов. Однако их кинетическая энергия при этом будет постоянной.

По измеренной красной границе фотоэффекта и энергии выбитых электронов можно найти значение постоянной Планка. Оно оказывается точно таким же, как установленное по спектрам теплового излучения. Совпадение значений физических постоянных, полученное различными методами, — это серьезное доказательство существования квантов электромагнитного излучения.

Рис. 3. Экспериментальное определение постоянной Планка.

Что мы узнали?

Фотоэффект — это выбивание из вещества электронов под действием квантов электромагнитного излучения. Согласно теории фотоэффекта Эйнштейна, энергия кванта равна сумме работы выхода и кинетической энергии выбитых электронов, поэтому кинетическая энергия этих электронов зависит только от частоты излучения.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

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 ν_min определяет нижнюю границу, при которой возможен выход электрона из вещества. При этом А= hν_min. Этой частоте соответствует наибольшая критическая длина волны λ_кр =с/ ν_{min, и} А=h*c/ λ_кр.

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 λ_кр = 260 нм, а для цезия λ_кр = 620 нм. Кроме того, ν_min 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

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

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

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.

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.

Что такое электрический ток простыми словами

История открытия электричества

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое люминесцентная лампа и как она работает?

Измерение освещенности: понятие люменов и нормы освещенности на 1 квадратный метр

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Явление фотоэффекта

Фотоэффект был открыт во второй половине XIX в. Было обнаружено, что электрические свойства вещества заметно меняются при облучении, причем наиболее сильно изменение происходит при УФ-излучении.

В 1873 г. С. Уиллоуби заметил, что электропроводность селена при облучении заметно меняется. А в 1887 г. Г. Герц открыл, что искровой пробой газа при облучении значительно облегчается.

Эти опыты раскрывают два вида фотоэффекта — внутренний и внешний. В обоих случаях электроны внешних оболочек атома под действием облучения покидают атом. Но при внутреннем фотоэффекте они остаются в веществе. Именно поэтому электропроводность селена увеличивалась: в нём появлялись свободные носители заряда — электроны. А при внешнем фотоэффекте электроны выходят из вещества. Именно поэтому облегчается искровой пробой газа — в газе появляются электроны, которые под действием поля разгоняются и ионизируют газ, создавая искровой пробой.