Тема 1. Фотоелектричний ефект
План
1. Предмет,методи і завдання квантової фізики
2. Законифотоефекту. Дослідження Столєтова
3. Квантоватеорія фотоефекту
4.Фотоелементи таїх застосування
1. Предмет, методи і завдання квантової фізики
Загальні відомості
Як вже зазначалось, в кінці XIX і на початку XX ст. було відкрито ряд фізичних явищ, які неспроможна пояснити класичнафізика. У зв'язку з цим виникла необхідність створення нової фізичної теорії,яку назвали квантовою теорією матерії, або квантовою фізикою.
Квантова фізика вивчає процеси, що відбуваються у мікросвіті — в світімолекул, атомів, атомних ядер, елементарних частинок. Оскільки властивості макроскопічнихтіл зумовлені рухом і взаємодією їх складових — мікрочастинок, то закониквантової фізики дають змогу пояснити більшість явищ макросвіту.
Квантова механіка, квантова статистика і квантова теорія поля всукупності складають квантову теорію матерії, або квантову фізику.
Квантова механіка — теорія руху мікрочастинок і їх систем, теорія явищсубатомного масштабу та їх впливу на макроявища.
Перший підготовчий крок до створення квантової механіки зробив М. Планк.Він для пояснення розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорноготіла висунув гіпотезу про те, що енергія атомів-випромінювачів може змінюватисядискретними порціями — квантами. Другий крок зробив А. Ейнштейн, який ввів у1905 р. поняття фотона (кванта електромагнітного поля) і дав тлумаченнязовнішньому фотоефекту. Далі, у 1913 p. H. Борвикористав ідею квантів і штучно введені постулати для пояснення станівводневоподібних атомів і розшифрування їхніх спектрів.
У 1924 р. Л. де Бройль висунув гіпотезу про корпускулярно-хвильовий дуалізмматеріальних частинок, основна ідея якої про хвильові властивості частинок булав 1927 р. підтверджена К. Де-віссоном і Л. Джермером (США), Дж. П. Томсоном(Шотландія) і радянським фізиком П. С. Тартаковським.
Накопичення фактів привело до становлення у 1925—1928 pp. сучасної квантової механіки. У цейперіод В. Гейзенберг розробив матричну теорію кінематики і динамікимікрочастинок; Е. Шредінгер, спираючись на ідеї Л. де Бройля, у 1926 р. діставдиференціальне рівняння руху мікрочастинок; М. Борн у 1927 р. дав статистичнуінтерпретацію квантово-механічного опису станів мікрочастинок або їх систем; П.Дірак і В. Паулі заклали основи релятивістської квантової механіки. Тоді ж булосформульовано принцип невизначеності Гейзенберга, принцип Паулі, принцип відповідностіБора.
У наступні роки великий вклад у розвиток квантової фізики внесли Г.Лондон, Е. Фермі, Р. Фейнман, М. Гелл-Манн, В.О. Фок, Л.Д. Ландау, І.Є. Тамм,Д.І- Блохінцев, М.М. Боголюбов, Я.І- Френкель та інші вчені.
Квантова механіка являє собою фізичну теорію, яка описує явища атомногомасштабу, тобто рух елементарних частинок та систем, що з них складаються. Прицьому вважається, що мікрочастинки рухаються із швидкостями, значно меншими відшвидкості світла.
Процеси з участю релятивістських мікрочастинок (частинок, що рухаються зішвидкостями, близькими до швидкості світла) супроводяться, як правило, зміноюкількості частинок, їх народженням та поглинанням. Такі процеси розглядаються уквантовій теорії поля.
Властивості системи з великою кількістю частинок, рух яких описуєтьсязаконами квантової механіки, вивчаються у квантовій статистиці.
Успіхи квантової фізики відіграли важливу роль у науково-технічнійреволюції. Напівпровідникова і квантова електроніка, ядерна енергетика, навітьможливість здійснення в земних умовах реакції термоядерного синтезу зв'язані вкінцевому результаті з квантовими законами. Розвиток квантової фізики сприяєрозумінню єдності світу, побудові єдиної фізичної картини світу.
2. Закони фотоефекту. Дослідження Столєтова
Під час проведення дослідів з метою одержання електромагнітних хвильГ.Герц у 1887 р. помітив, що розряд між металевими електродами стаєінтенсивнішим, якщо їх освітлювати електричною дугою. Це явище названофотоелектричним ефектом.
Після відкриття електрона (1897 р.) ф.Ленард і Дж. Томсон у 1898 р. довели експериментально, що фотоефект являє собоювивільнення електронів з металевих катодів під дією світла. Явище фотоефекту —один з проявів взаємодії світла з речовиною, який розкриває квантову природусвітла. Фотоефект як самостійне фізичне явище детально вивчав О.Г. Столєтов у1888—1890 pp. Він виявив, що при освітленніультрафіолетовими променями зазнають розряду тільки тіла, заряджені негативно.Схема установки для дослідження фотоефекту показана на рис. 9.1.
/>
Світло через кварцеве віконце О падає на катод К, виготовлений здосліджуваного металу. Катод і анод розміщені у вакуумній трубці Т. Напруга міжкатодом і анодом змінюється за допомогою потенціометра П.
Дослідження залежності фотоструму від різниці потенціалів між катодом іанодом при опромінюванні катода монохроматичним світлом показали, що фотоструміснує не тільки тоді, коли > 0, але й тоді, коли
Сила фотоструму зростає зі збільшенням різниці потенціалів і при деякомузначенні напруги U досягаєнасичення (рис. 9.2). Узагальнюючи результати експериментальних даних,встановлено такі закономірності фотоефекту: при сталому спектральному складісвітла сила фотоструму / насичення прямо пропорційна світловому потоку Ф, щопадає на катод (рис. 9.3); початкова кінетична енергія вивільнених світломелектронів залежить лінійно від частоти світла і не залежить від йогоінтенсивності (рис. 9.4); фотоефект не виникає, якщо частота світла менша віддеякої характерної для даного металу величини vmin; фотоефект — явище безінерційне,тобто з припиненням освітлення поверхні він припиняється.
З погляду хвильової теорії можна пояснити тільки першу закономірність(закон Столєтова). Електрони в металі мають набувати прискорення під дієюелектричного поля електромагнітної хвилі. Якщо це поле сильне, то електронзможе набути енергії для подолання потенціального бар'єру і вилетіти за межіметалу. При малих інтенсивностях світла електрони не вилітають. При досягненні певноївеличини інтенсивності світла, характерної для даного металу, відбуватиметьсявивільнення електронів.
/>
Чим більша інтенсивність світла, що падає на метал, тим більшу кінетичнуенергію мають вивільнені електрони. Згідно з уявленнями класичної теоріїінтенсивність світла прямо пропорційна квадрату напруженості електричного полясвітлової хвилі, дія якої на електрони в металі зумовлює їх коливання.Амплітуда вимушених коливань може досягти такої величини, при якій електронизалишають метал. Тому кількість вивільнених електронів зростає із збільшеннямінтенсивності світла, що і приводить до зростання фотоструму насичення призбільшенні світлового потоку.
Сучасні методи досліджень дають змогу реєструвати окремі електрони, якіпотрапляють на анод. Встановлено, що при зміні інтенсивності монохроматичногосвітла, тобто зміні напруженості електричного поля електромагнітної хвилі,кінетична енергія вивільнених електронів не змінюється, а змінюється їхкількість. Цей результат зовсім не узгоджується з передбаченнями хвильовоїтеорії про природу світла. У межах цієї теорії також неможливо пояснитибезінерційність фотоефекту та результати, одержані для однакових значеньінтенсивності монохроматичного світла різних частот. При цьому виявилось, щомаксимальне значення кінетичної енергії вивільнених електронів прямопропорційне частоті (рис. 9.4).
3. Квантова теорія фотоефекту
Явище фотоефекту і його закономірності повністю пояснюються квантовоютеорією світла. У ній стверджується/що світло — це потік матеріальних частинок— фотонів, енергія яких — стала Планка; v — частота коливань); що світло нетільки випромінюється, поширюється, але і поглинається порціями електромагнітниххвиль. При цьому фотон як неподільна частинка поглинається окремим електроном.
На основі таких уявлень А. Ейнштейн у 1905 p., застосувавши закон збереження енергії до взаємодії фотона з електроном,одержав рівняння фотоефекту, яке носить його ім'я:
/>
де А — робота виходу електрона з металу; максимальне значення кінетичноїенергії електрона.
Енергія фотона, яку поглинає електрон, витрачається на те, щоб електронподолав потенціальний бар'єр у металі, тобто на роботу виходу та наданнякінетичної енергії вивільненому електрону. Якщо електрон поглинув фотон не білясамої поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії буде витраченавнаслідок випадкових зіткнень електрона в речовині. Максимальну кінетичнуенергію матимуть електрони, вивільнені з самого верхнього енергетичного рівня уметалі. З рівняння (9.1) випливає, що фотоефект можливий лише тоді, коли hv > А. В іншому випадку енергіяфотона недостатня для вивільнення електрона з металу. Найменша частота світла,під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови, звідки
/>
Частота, при якій можливий фотоефект, називається «червоною межею»фотоефекту. Ця назва не стосується кольору світла. Вона вказує на ту найменшучастоту (найбільшу довжину хвилі) світла, при якій ще може відбуватисьфотоефект. Так, з цезію вивільняються електрони при освітленні випромінюваннямусієї видимої частини спектра; для калію відбувається фотоефект при освітленніпроменями, довжина хвиль яких
Оскільки значення гальмівного потенціалу визначається з умови
/>
де — заряд електрона. Отже, величина гальмівного потенціалу не залежитьвід інтенсивності світла, а тільки від частоти v.
З графічної залежності (рис. 9.4) видно, що tg a = = h/e, а відрізок ОU = Ае. Оскільки інтенсивність світлапрямо пропорційна кількості фотонів, то збільшення його інтенсивності зумовлюєзбільшення кількості вивільнених електронів, тобто збільшення фотоструму. Отже,квантова теорія світла дає змогу ' пояснити всі експериментальні дані, одержаніпри вивченні явища фотоефекту. Розглянуте явище для металів називають зовнішнімфотоефектом або просто фотоефектом.
/>
Для його вивчення, перевірки законів, визначення розподілу електронів зашвидкостями користуються методом так званого сферичного фотоелемента, коли уцентрі кулі розміщено катод у вигляді кульки з досліджуваного металу.
На відміну від металів у напівпровідниках та діелектриках при їхосвітленні виникає так званий внутрішній фотоефект. У цих речовинах існують заборонені зониенергії. Вони створюють такі умови для фотоефекту, що він у діелектриках інапівпровідниках має дещо інші властивості, ніж у металах. Якщо у зовнішньомуфотоефекті електрони при освітленні металу вилітають за його межі, то увнутрішньому фотоефекті електрони під дією поглинутого світла переходять звалентної зони у зону провідності, але за межі напівпровідника або діелектрикане вилітають.
Для напівпровідників характерні два фотоелектричних явища: внутрішній і вентильнийфотоефекти. Внутрішній фотоефект (або фотопровідність) полягає у збільшенніконцентрації вільних носіїв заряду як у чистих напівпровідниках, так і унапівпровідниках з домішковою провідністю. У чистих напівпровідниках електронипереходять із валентної зони у зону провідності; у напівпровідників n-типу, крім переходу з валентної зониу зону провідності, будуть також переходити із донорного рівня у зонупровідності, а у напівпровідниках р-типу — із валентної зони на акцепторнийрівень.
Вентильний фотоефект — це явище виникнення електрорушійної сили приосвітленні контакту двох напівпровідників різного типу провідності або контактунапівпровідника з металом. На межі напівпровідників п- і р-типу виникаєзапірний шар. При освітленні напівпровідника га-типу, коли енергія фотонівдостатня для переходу електроном запірного шару з напівпровідника «-типу унапівпровідник р-типу (рис. 9.5), відбувається накопичення електронів назовнішній поверхні напівпровідника р-типу. Внаслідок цього між зовнішнімиповерхнями напівпровідників п- і р-типу виникає електрорушійна сила.Особливістю вентильного фотоефекту є безпосереднє перетворення світловоїенергії в електричну. Коефіцієнт корисної дії сучасних кремнієвих фотоелементівблизько 15 %.
Розглянуте явище фотоефекту відбувається при відносно слабких світловихполях, і його називають однофотонним. Виявляється, що при користуваннівипромінюванням потужного лазера виникає багатофотонне поглинання, тобтобагатофотонний фотоефект.
Так, двофотонний внутрішній фотоефект спостерігається у напівпровідникусульфіду кадмію при його опромінюванні рубіновим лазером. Світло нелазерноговипромінювання такої самої частоти, як і випромінювання рубінового лазера, невикликає фотоефекту
у сульфіду кадмію. Це пояснюється тим, що енергія фотонів цієї частотидорівнює 1,8 еВ, а ширина забороненої зони у CdS — 2,4 еВ. Причиною появи фотоефектупри опромінюванні CdS рубіновим лазером єпоглинання електроном декількох фотонів. Багатофотонний фотоефект зумовлюєзміщення червоної межі фотоефекту в довгохвильову ділянку спектра.
4.Фотоелементи та їх застосування
Прилади, в яких фотоефект використовується для перетворення енергіївипромінювання в електричну, називають фотоелементами. Залежно від видівфотоефекту створено фотоелементи із зовнішнім фотоефектом (вакуумні ігазонаповнені) та внутрішнім (фотоопори і вентильні фотоелементи).
Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом являють собою скляні балони,всередині яких розміщено фотокатод і анод (рис. 9.6). Фотокатодом К є шарлужного або лужноземельного металу, нанесеного на основу із срібла. Анод А маєформу стержня, кульки або петлі. В газонаповнених фотоелементах із зовнішнімфотоефектом є якась кількість інертного газу, внаслідок чого струм уфотоелементі створюється не тільки електронами, що вивільняються із фотокатодапід дією світла, а й електронами та іонами, що виникають внаслідок іонізаціїгазу. Наявність газу дає змогу збільшити чутливість фотоелементів у 5 -н 10разів порівняно з вакуумними.
Для підсилення фотоструму часто користуються фото помножувачами (рис.9.7), дія яких ґрунтується на явищі вторинної електронної емісії. Кількісновона характеризується коефіцієнтом вторинної емісії а = пг1пг (відношеннякількості вибитих електронів п2 до кількості падаючих %).
Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом (фоторезистори) складаються зізоляційної основи 3 (рис. 9.8), на яку нанесено тонкий шар
/>/>
напівпровідника 2 з металевими електродами 1. Така система поміщається вебонітову або пластмасову оправу з віконцем. Для запобігання впливу оточуючогосередовища його світлочутливий шар покривають прозорим лаком. На відміну відфотоелементів із зовнішнім фотоефектом, які мають односторонню провідність,фоторезистори в однаковій мірі проводять струм в обох напрямах. Вони маютьвисоку стабільність параметрів у процесі їх експлуатації, високу чутливість.Недоліками їх є значна залежність чутливості від температури, інерційність,залежність інерційності від освітленості, не лінійність світловиххарактеристик, відсутність ділянки насичення вольт-амперних характеристик,наявність значного струму при відсутності світлової дії.
Серед вентильних фотоелементів широко застосовуються мідно-оксидні,селенові, сульфідно-срібні, сульфідно-талієві, кремнієві, сульфідно-кадмієві таін.