Квантове пояснення фотоефекту

Рис. 6.1. Світлове випромінювання звичайної свічки

 

При випромінювання звичайної воскової свічки спостерігається інфрачервоне випромінювання і видиме світло. Згідно квантової теорії випромінювання являє собою потік фотонів різної енергії, оскільки спектр випромінювання складається з різних частот.

Слід зауважити, що фотони це не частинки в звичайному розумінні. Фотон – елементарна частинка, яка не існує в стані спокою (маса спокою ). Народившись фотон зразу набуває швидкості світла . Тому можна говорити про масу фотона тільки коли він рухається. При стиканні фотона з електроном речовини енергія фотона повністю передається електрону, а фотон перестає існувати (кажуть що електрон поглинає фотон).

Якщо направити потік світла на речовину, то фотони можуть відбиватися від поверхні речовини або проникати в речовину і взаємодіяти з ії електронами. Фотони дуже високих енергій можуть пронизувати речовину наскрізь, як це спостерігається у фотонів рентгенівського і гамма – випромінювання.

В більшості випадків енергія квантів переходить у внутрішню енергію речовини, що призводить до нагрівання тіла. Але інколи, частина енергії випромінювання поглинається електронами речовини що визиває явища, які називають фотоелектричним ефектом (фотоефектом).

Розрізняють зовнішній та внутрішній фотоефекти. При зовнішньому фотоефекті – поглинутої електромагнітної енергії вистачає щоб вийти за межі поверхні речовини. Кажуть, що світлові фотони (кванти) вибивають електрони з речовини. Частіше це явище спостерігається при опроміненні металів.

На рис. 6.2. показана металева пластина, на яку падає потік фотонів. При стиканні з електронами речовини фотон може передати одному електрону свою максимальну енергію . Тобто енергія, яку отримує електрон, доставляється йому у вигляді кванта . Якщо світло не монохроматичне, то фотони мають різні енергії. Тому кожен з електронів отримує різну енргію. Вихід електронів за межі речовини спостерігається тільки у тих, які отримали достатню для цього порцію енергії. Оскільки енергія фотона залежить тільки від його частоти, то при поглинанні квантв з деякою частотою , і більше електрон “вибивається” з речовини.

Рис. 6.2. Процес «вибивання» електронів з речовини

 

Отже, при стиканні з електроном речовини, енергія фотона повністю передається електрону, а фотон перестає існувати. Частина отриманої енергії витрачається на те, щоб електрон міг вийти за межі речовини. Цю частину енергії називають «робота вихода» і позначають . Решта енергії перетворюється в кінетичну енергію електрона , яку він буде набувати при поглинанні фотона енергії речовиною.

Енергетичний баланс взаємодії фотона з електроном описується рівняням Енштейна для фотоефекту

, (1)

де - енергія фотона, Дж;

- робота виходу, Дж;

- маса електрона, кг;

- швидкість електрона, м/с;

Уява про світлові кванти (фотони) дозволяє зрозуміти основні закони фотоефекту.

1. Загальне число електронів, які вибиваються світлом з поверхні речовини за одиницю часу, прямо пропорційно освітленості поверхні.

2. Для кожної речовини існує ”червона межа” фотоефекту – найменша частота , при якій ще можливий фотоефект.

3. Максимальна кінетична енергія вибитих електронів (фотоелектронів) прямо пропорційна частоті світла і не залежить від освітленості.

Розглянемо послідовно ці закони.

Освітленість характеризує світлову енергію, яка падає на одиницю поверхні за одиницю часу. Нехай на речовину падає монохроматичне світло, тобто його кванти мають одну частоту . Тоді енергія, яка переноситься світлом за одиницю часу визначається кількістю світлових фотонів з енергією , які потрапляють на поверхню речовини за цей час. Один фотон може вибити один електрон. Ясно, що чим більше буде число фотонів, тим більше електронів вилетить з речовини за одиницю часу (перший закон фотоефекту).

З рівняння Ейнштейна (1) випливає, що фотон може визвати фотоефект, якщо його енергія не менше роботи виходу (). В іншому випадку енергія фотона недостатня для звільнення електрона з речовини. Найменша частота світла, під дією якого відбувається фотоефект може бути знайдена за формулою . Цю частоту називають “червоною межею” фотоефекту. Кожна речовина має певне значення роботи виходу , тому для кожної речовини існує відповідна “червона межа” фотоефекту (другий закон фотоефекту).

Якщо енергія фотона більше роботи виходу , то надлишок енергії піде на надання електрону кінетичної енергії . Чим більша енергія фотона, тобто його частота , тим більше буде кінетична енергія вибитого електрона. Досліди показали, що освітленість поверхні при цьому не відіграє суттєвої ролі. Фотоефект спостерігається при достатньо малих освітленостях, при наявністі фотонів з енергіями . І, навпаки, не спостерігається при великих освітленностях, якщо світлове випромінювання складається з фотонів меншої частоти, енергія яких < (третій закон фотоефекту).

Внутрішній фотоефект спостерігається в напівпровідниках і діелектриках. Проникаючи. наприклад, в товщу напівпровідника германія (рис. 3), фотони стикаються зі зв'язаними електронами в атомах і надають їм додаткову енергію.

Рис. 6.3. Процес фотоефекту в напівпровідниках

 

Відбувається звільнення електронів від зв'язків і в результаті виникають пари носіїв заряду – електронів і дірок. Ці додаткові носії збільшують електропровідність напівпровідника. Тобто – внутрішній фотоефект виражається в зміні концентрації носіїв струму в провідниках і діелектриках під дією світла.

До фотоелектричних явищ відносять також явище виникнення електрорушійної сили під дією електромагнітного випромінювання. Це спостерігається при освітленні контакту двох напівпровідників, або контактунапівпровідника й металу. Такі прилади називають фотоелементами із запірним шаром, або вентильними фотоелементами.

Виявляється, що контакт деяких напівпровідників має односторонню електропровідність: струм може йти тільки в одному напрямку.

Поглинаючи енергію світла, електрони починають односторонні переходи з одного напівпровідника у інший. В результаті напівпровідники, що приведені до контакту, набувають різні потенціали. Підключення такого зарядженого елемента в коло викликає електричний струм. Тобто ці прилади перетворюють енергію випромінювання в електричну. Їх використовують для виготовлення елементів сонячних батарей і фотометрів.

Основи фотометрії