Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 24. Фотоефект

Опрацювавши параграф, ви навчитесь оперувати поняттям і терміном «фотоефект». Зможете пояснити: досліди О. Столєтова, рівняння А. Ейнштейна для фотоефекту. Ознайомитесь із застосуванням фотоефекту в техніці.

ДОСЛІДИ О. СТОЛЄТОВА. У розвитку уявлень про природу світла важливий крок зроблено під час вивчення явища фотоефекту, відкритого Г. Герцем і ґрунтовно дослідженого О. Столєтовим.

Фотоефектом називають явище вивільнення електронів речовини під дією світла.

Розрізняють: зовнішній фотоефект — явище вибивання електронів із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання; внутрішній фотоефект — явище збільшення електропровідності напівпровідника або діелектрика за рахунок електронів, вирваних із молекул, чи атомів під дією світла.

Використовуючи вакуумний скляний балон з двома електродами (рис. 24.1, а), Столєтов дослідив кількісні закономірності зовнішнього фотоефекту. Результати проведених дослідів показали, що фотоефект є безінерційним, оскільки фотострум (струм, який виникає в колі внаслідок явища фотоефекту) з'являється одночасно з освітленням фотокатода.

Рис. 24.1. Дослідження фотоефекту

У період проведення Столєтовим досліджень явища фотоефекту ще не було відкрито електрон, не існувало гіпотези Планка, тому тогочасна фізика не могла пояснити результати його дослідів.

Аналізуючи вольт-амперні характеристики для фотоефекту, отримані за різних значень світлового потоку (рис 24.1, б), можна дійти висновку:

а) за відсутності напруги між електродами значення фотоструму відмінне від нуля (це означає, що фотоелектрони мають під час вильоту кінетичну енергію);

б) у разі досягнення між електродами певної напруги UH значення фотоструму не змінюється навіть при збільшенні напруги, тобто його значення досягає насичення IH1, IH2;

в) за деякої гальмівної напруги (якщо електрод А приєднати до від'ємного полюса джерела струму) фотострум припиняється;

г) значення гальмівної напруги не залежить від світлового потоку Ф.

Коли енергія фотоелектронів є такою ж, як і енергія поля, що повертає їх назад до електрода, справедливим є вираз:

Вимірявши гальмівну напругу, можна знайти максимальне значення кінетичної енергії електронів, які вириваються світлом із катода.

У результаті дослідів було виявлено, що червоне світло з великою довжиною хвилі не виривало електрони з цинкової пластини, тоді як фіолетове світло за будь-якого малого світлового потоку їх легко виривало.

ЗАКОНИ ЗОВНІШНЬОГО ФОТОЕФЕКТУ. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ. На основі дослідів сформульовано закони зовнішнього фотоефекту:

  • кількість електронів, вирваних світлом з поверхні металу за 1 с, є прямо пропорційною поглинутій енергії світлової хвилі;
  • максимальна кінетична енергія фотоелектронів зростає лінійно з частотою світла і не залежить від його інтенсивності;
  • для кожної речовини існує «червона межа» фотоефекту (поріг фотоефекту) — така найменша частота (чи найбільша довжина світлової хвилі), за якої ще можливий фотоефект.

Якщо v ≤ vmin чи λ ≥ λmax, то фотоефекту не існує. Крім того, фотоефект є безінерційним і вилітання фотоелектронів починається з моменту освітлення катода.

Енергія порції світла hv витрачається на виконання роботи виходу Авих, тобто роботи, яку треба виконати для виривання електрона з поверхні металу і на надання електрону кінетичної енергії:

Цей вираз називають рівнянням Ейнштейна для фотоефекту. Він пояснює основні закономірності фотоефекту.

ЗАСТОСУВАННЯ ФОТОЕФЕКТУ. Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для розуміння природи світла. Завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим:

  • звукове кіно;
  • створення різноманітних апаратів, які «стежать» за освітленістю вулиць, своєчасно «запалюють» і «гасять» бакени на річках, працюють «контролерами» в метро, «рахують» готову продукцію, «контролюють» якість обробки деталей;
  • перетворення світлової енергії в електричну за допомогою фотоелементів.

Як зазначалося, крім зовнішнього, існує і внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що в результаті бомбардування атома фотоном атом втрачає електрон і стає йоном. Внутрішній фотоефект виявляється в зміні електропровідності середовища, діелектричної проникності або виникненні електрорушійної сили.

Напівпровідники з внутрішнім фотоелементом (фотоопори, фотодіоди, сонячні батареї та ін.) — це напівпровідники із власною чи домішковою провідністю.

У сонячних батареях створюють p-n-перехід. Під час освітлення фотоелемента сонячним світлом змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, що призводить до виникнення напруги між р і n ділянками n-р переходу і відповідно до появи електричного струму.

Відкриття і дослідження явища фотоефекту стали експериментальною основою квантової теорії. Саме за створення теорії фотоефекту і пояснення його на основі квантової теорії А. Ейнштейну було присуджено Нобелівську премію.

! Головне в цьому параграфі

Фотоефектом називають явище виривання електронів із речовини під дією світла. Розрізняють: зовнішній фотоефект — явище вибивання електронів із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання; внутрішній фотоефект — явище збільшення електропровідності напівпровідника або діелектрика за рахунок електронів, вирваних із молекул або атомів під дією світла.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. У чому полягає явище фотоефекту? 2. Поясніть закони фотоефекту з позицій квантової теорії світла. 3. Зобразіть вольт-амперну характеристику фотоефекту й поясніть її особливості. 4. Напишіть рівняння Ейнштейна для фотоефекту і поясніть його фізичну суть. 5. За яких умов виникає явище фотоефекту? Що називають «червоною межею» фотоефекту? 6. Що називають внутрішнім фотоефектом? 7. У чому полягає принципова відмінність між зовнішнім і внутрішнім фотоефектами?