Фотаэфект
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.
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
ν
0
{\displaystyle \nu _{0}}
ν <
ν
0
,
{\displaystyle \nu <\nu _{0},}
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 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 φ, пакідае метал:
h ν
φ +
W
e
,
{\displaystyle h\nu =\varphi +W_{e},}
W
e
{\displaystyle W_{e}}
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 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]
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 ν
φ +
m
v
2
2
,
{\displaystyle h\nu =\varphi +{\frac {mv^{2}}{2}},}
m
v
2
2
{\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}}
ν
{\displaystyle \nu }
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
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]
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 скарасцямі. Максімальнае значэнне току Іфн (фотаток насычэння) вызначаецца такім значэннем U, пры якім усе электроны, выпусканых катодам, дасягаюць анода:
I
фн
=
en
{\displaystyle \mathrm {I} _{\text{фн}}={\text{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 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 скорасці Vm, не ўдаецца дасягнуць анода. Такім чынам, можам запісаць, што:
mV
m
2
2
=
eU
з
{\displaystyle {{\text{mV}}_{\text{m}}^{2} \over 2}={\text{eU}}_{\text{з}}}
дзе m − маса электрона, Vm − максімальная скорасць электрона.
Зноскі
- ↑ Бутиков Е.И. Оптика. – М.: Высшая школа, 1986. – С. 456−466.
- ↑ Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика // Общий курс физики — Часть 1
- 1 2 Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М.: Высшая школа, 1978. С. 360−371.
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 редакцией Г.С. Кембровского. Мн., 1986.
Спасылкі
Тэмы гэтай старонкі (3):Катэгорыя·Квантавая механіка
Катэгорыя·Сонечная энергія
Катэгорыя·Электрадынаміка