Квантовые свойства света. Фотоэффект и его законы. Применение фотоэффекта в технике

Maks-Plank-150x150.jpg
Макс Планк

Квантовые свойства света     

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой  Е = hv, где h — коэффициент пропорциональности — постоянная Планка,  v— частота света.  Опытным путем вычислили h = 6,63·10-34 Дж·с.  Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем.  Далее фотоэффект изучил  экспериментально русский ученый Столетов.

Фотоэффект и его законы 

opyt-Stoletava.jpg
схема опыта Столетова

Фотоэффект — это вырывание  электронов из вещества под действием света. В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта: 1. 2. 3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:   

336-150x56.jpg — это уравнение Эйнштейна.

Если  h<Авых , то фотоэффекта не происходит. Предельную частоту  vmin  и предельную длину волны λmax называют красной границей фотоэффекта. Она выражается так: vmin =A/h ,  λmax= λкр = hc/A, где λmax ( λкр ) – максимальная длина волны , при которой фотоэффект еще наблюдается. Красная граница фотоэффекта   для разных веществ различна, т.к. А зависит от рода вещества.

Применение фотоэффекта в технике. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

    Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в  первых автомобилях.

В демонстрационной модели рассматривается явление фотоэффекта.

Fotoeffekt.-Interaktivnaya-model-opytov-Stoletova.png

Экспериментальное исследование фотоэффекта проведено Столетовым. Он предложил удобную измерительную схему, принцип которой сохранился до настоящего времени. Внутрь баллона, в котором создан вакуум, помещаются два электрода: фотокатод К, изготовленный из исследуемого материала, и анод. Свет направляется на фотокатод через кварцевое окно. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта (так называемые фотоэлектроны), перемещаются под действием электрического поля к аноду. Появление тока в цепи регистрируется гальванометром Г, напряжение между фотокатодом и анодом изменяется потенциометром П, а измеряется вольтметром V.

Фотоэффект — это выбивание электронов из атомов под действием света. Существует внешний и внутренний фотоэффект. Кратко поговорим о внутреннем фотоэффекте, узнаем, кем открыт, его особенности и характеристики.

vnutrenniy-fotoeffekt.jpg

Открытие фотоэффекта

Итак, фотоэффект бывает внешний и внутренний. При внешнем фотоэффекте электроны выходят из вещества либо в вакуум, либо в газовую среду, окружающую вещество. При внутреннем фотоэффекте электроны остаются в веществе. Исторически первым был открыт внутренний фотоэффект, поскольку оборудование для его наблюдения появилось раньше.

Впервые проявление фотоэффекта — фотогальванический эффект — наблюдал А. Беккерель в 1839 г. При освещении платиновых пластин, погруженных в раствор электролита, гальванометр начинал регистрировать ЭДС. Фотоэффект в твердом веществе — селене — открыл У. Смит, занимавшийся поиском проводников с высоким удельным сопротивлением. При исследовании селеновых образцов в 1873 г. было замечено, что их сопротивление существенно меняется при измерениях. Заинтересовавшись этим явлением, У. Смит выяснил, что сопротивление селена уменьшается при освещении его светом. В 1883 г. Ч. Фритс создал первый селеновый фотоэлемент.

Рис. 1. Фотоэффект.

Свойства внутреннего фотоэффекта

Теория внешнего фотоэффекта была разработана в 1905 г. А. Эйнштейном. Согласно ей свет существует только в виде порций-квантов (фотонов). Излучение или поглощение фотона возможно только целиком. Причем энергия фотона пропорциональна его частоте. При внешнем фотоэффекте эта энергия частично тратится на разрыв связей электрона в атоме (работа выхода $A_{вых}$), а оставшаяся часть — это кинетическая энергия электронов, покинувших вещество:

$$hnu=A_{вых}+{m_ev^2over 2}$$

Эта формула применима и ко внутреннему фотоэффекту. Точно так же энергия фотона затрачивается на работу выхода, но остаток энергии переходит не в кинетическую энергию электронов, вылетевших из вещества, а на создание разности потенциалов в веществе.

Для внутреннего фотоэффекта, как и для внешнего, существует красная граница — частота, ниже которой энергии фотона недостаточно, чтобы совершить работу выхода. Фотоэффект при этом исчезает.

Применение внутреннего фотоэффекта

Первоначально стал использоваться внешний фотоэффект. Вакуумные фотоэлементы нашли широкое применение в кино, обеспечивая звуковое сопровождение фильмов.

Рис. 2. Вакуумный фотоэлемент.

С развитием полупроводниковой электроники более широкое применение получил внутренний фотоэффект.

Вначале получили распространение полупроводниковые фотоэлементы и фоторезисторы. В них электроны, выбитые из атомов, лишь меняют проводимость вещества. С помощью таких приборов проводилось определение степени освещенности.

В последние десятилетия все шире стали применяться приборы, в которых энергия выбитых электронов создает разность потенциалов и далее используется для полезной работы, — солнечные батареи.

Солнечная батарея — это множество полупроводниковых элементов, каждый из которых имеет два слоя с разной проводимостью. На границе между слоями образуется потенциальный барьер, который могут преодолевать электроны, выбитые из атомов светом. В результате на концах элемента появляется разность потенциалов. Каждый элемент дает напряжение порядка десятых долей вольта. Для получения высоких напряжений и мощностей множество элементов связываются в последовательно-параллельные батареи.

Рис. 3. Солнечная батарея.

Что мы узнали?

Внутренний фотоэффект — это выбивание электронов из атомов вещества при облучении их светом, при котором электроны остаются внутри вещества. Теория фотоэффекта была создана А. Эйнштейном. Внутренний фотоэффект широко применяется в полупроводниковых элементах и солнечных батареях.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Выбивание электронов из атомных орбит под действием облучения, называется:</h3>

    • <label>разрушение атома</label>
    • <label>ядерный резонанс</label>
    • <label>фотоэффект</label>
    • <label>гальванизация</label>

(новая вкладка)

фотоэффект свет медицина полупроводник

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство. Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем К с небольшим прозрачным для света участком — «окном» О для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А. От электродов К л А сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент. Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют вакуумный триод Т, и электромагнитного реле ЭМР, включенного в анодную цепь триода. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока Е1 а на триод — от источника тока Е2. Ток накала триода создают источником тока Е3- Между сеткой и катодом триода включен нагрузочный резистор RH.

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор RH, идет ток. На резисторе Ru происходит падение напряжения, вследствие чего потенциал сетки триода значительно меньше потенциала катода и лампа заперта.

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, падение напряжения на резисторе становится равным нулю и лампа отпирается. Через обмотку электромагнитного реле идет анодный ток, реле срабатывает и его контакты замыкают исполнительную цепь, функциями которой могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека; выдвигание преграды в турникете метро и т.д.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке а также передача движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

Сочетание фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ): слабый пучок фотоэлектронов, ускоряясь попадает на ряд катодов, выбивая из каждого вторичные электроны и лавинообразно усиливаясь. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фото-сопротивлений.

Простейшее фотосопротивление представляет собой пластинку изолятора, на которую нанесен тонкий слой полупроводника. При освещении пластинки возникает фотопроводимость и в цепи фотосопротивления идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике.

Фотосопротивления позволяют на расстоянии автоматически обнаружить нарушения нормального хода различных производственных процессов и останавливать в этих случаях процессы. При нарушениях нормального хода процесса может измениться световой поток, попадающий на фотоэлемент, в результате изменяется сила фототока, и изменяется ход всего процесса.

Фотосопротивления применяются для сортировки массовых изделий по их размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.

На рисунке изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем (вентильный фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другим пластинки, изготовленные из металла и его окиси (полупроводник) покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его окисью имеет одностороннюю электропроводность — электроны могут проходить лишь в направлении от окиси металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей, которые устанавливаются на космических кораблях.

2014-05-22

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино: можно передавать движущиеся изображения (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготавливают детали по чертежам. Приборы, основанные на фотоэффекте, контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. д.

Все это стало возможным благодаря изобретению очень совершенных устройств — фотоэлементов, в которых световая энергия управляет энергией электрического тока или превращается в нее.

Вакуумный фотоэлемент — это стеклянная колба, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода (рис. 179), это — катод. Через прозрачное «окошко» свет проникает в колбу. В центре колбы является проволочная петля или диск — анод. Он предназначен для улавливания фотоэлектронов и присоединен к положительному полюсу батареи.

Фотоэлементы способны реагировать на видимый свет и даже на инфракрасные лучи.

Если свет попадает на катод фотоэлемента, то в кругу возникает электрический ток, который включает или выключает то или иное реле. Комбинация фотоэлемента и реле дает возможность конструировать много различных автоматов, способных «видеть». Один из них — автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку), когда человек пересекает световой пучок, НЕ опустив монеты или жетона, либо не приложив проезжей карточки.

Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека попадет в опасную зону.

С помощью фотоэлементов воспроизводят записанный на кинопленке звук.

Кроме рассмотренного фотоэффекта, который называют внешним фотоэффектом, разнообразное применение находит внутренний фотоэффект в полупроводниках. Это явление используется в фоторезисторах — приборах, сопротивление которых зависит от освещенности. Кроме того, есть полупроводниковые фотоэлементы, которые создают ЭДС и непосредственно превращают световую энергию в энергию электрического тока. ЭДС, которую в этом случае называют фотоЭДС, возникающий в области р- n — перехода двух полупроводников при облучении этого участка светом. Под влиянием света образуются пары электрон — дырка. В области р- n — перехода является электрическое поле. Оно заставляет неосновные носители полупроводников перемещаться через контакт. Дырки из полупроводника n — типа перемещаются в полупроводник р- типа, а электроны из полупроводника р- типа — в область n — типа, создает накопления основных носителей в полупроводниках n -ир — типов. Таким образом, потенциал полупроводника р- типа увеличивается, а я — типа уменьшается. Это продолжается до тех пор, пока ток неосновных носителей черезр — n — переход сравнится с током основных носителей через тот же переход. В этот момент между полупроводниками устанавливается разность потенциалов, равная фотоЭДС. Если круг замкнуть внешней нагрузкой, то в кругу потечет ток, который будет определяться разницей токов неосновных и основных носителей через р- n — переход (рис. 180). Сила тока зависит от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки.

Фотоэлементы зр — n — переходом создают ЭДС около 1-2 В. их выходная мощность достигает сотен ватт при коэффициенте полезного действия до 20%. Фотоэлементы малой мощности используют в фотоэкспонометра. Особенно широко их применяют при изготовлении солнечных батерей, которые устанавливают не только на космических аппаратах (рис. 181), но и на крышах домов, автомобилей и т.п..

Применение фотоэффекта

Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В фотоэлементах энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее.

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, превращают в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому источники электроэнергии их не используют, зато широко применяются в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а так же передачи движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широко применяют фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачные.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Загрузка… Используемые источники:

  • https://kaplio.ru/kvantovye-svojstva-sveta-fotoeffekt-i-ego-zakony-primenenie-fotoeffekta-v-tehnike/
  • https://obrazovaka.ru/fizika/vnutrenniy-fotoeffekt.html
  • https://studbooks.net/2134422/matematika_himiya_fizika/primenenie_fotoeffekta_tehnike
  • http://moykonspekt.ru/fizika/primenenie-fotoeffekta/