Фотоэффект. Применение фотоэффекта в жизни

1.

ФОТОЭФФЕКТ
Открыт в 1887 году немецким
физиком Г. Герцем и в 1888–
1890 годах экспериментально
исследован российским
физиком А.Г. Столетовым.

2.

Александр Григорьевич
Столетов

3. Внешний фотоэффект

Падая на поверхность металла
и поглощаясь в нем, свет
вызывает эмиссию
(испускание) электронов
веществом. Это явление
называется фотоэлектрическим
эффектом (фотоэффектом).

4.

Вылетающие из вещества
электроны называются
фотоэлектронами,
а образуемый ими
электрический ток называется
фототоком.

5.

Схема установки для изучения
внешнего фотоэффекта

6. ВАХ фотоэффекта

Iн1 и Iн2 – токи насыщения,
Uз – запирающее напряжение.

7.

Законы Столетова
1. Фототок насыщения Iн
пропорционален световому
потоку, падающему на катод.
Этот ток равен
суммарному заряду
электронов, вырываемых в
единицу времени.

8.

2. Начальная скорость выбитых
электронов тем больше, чем
больше частота падающего света.
Это проявляется
в зависимости
Uз от частоты.
Зависимость –
линейная!
Прямая Лукирского

9.

3. Фотоэффект наблюдается только
при облучении светом с частотой,
превышающей некоторую
минимальную частоту. Эта
минимальная частота называется
красной границей фотоэффекта.
4. Фотоэффект безынерционен.

10.

Объяснение законов фотоэффекта
в 1905 г. дал Эйнштейн на основе
предложенной им гипотезы, что
свет взаимодействует с веществом
как поток частиц — квантов света
или фотонов. Их энергия по
гипотезе Планка
h

11. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

mv
h Aвых
2
2
Поглощенная электроном энергия
кванта идет на совершение работы
выхода Авых электрона из металла
и приобретение электроном
2
кинетической энергии mv .
2

12.

mv
Полагая в формуле Эйнштейна
0 ,
2
2
найдем красную границу фотоэффекта
Aвых
0
h
или
hc
0
Aвых

13.

Если энергия фотона превышает работу выхода, то разность
между ними идет на кинетическую энергию электрона
mv
h Aвых
2
2
mv
По закону сохранения энергии
eU з ,
2
2
тогда
Aвых
h
Uз
.
e
e
Получили формулу прямой Лукирского.

14.

По этой прямой можно найти постоянную
Планка и работу выхода.
Aвых
h
Uз
.
e
e
y ax b

15. Опыт Милликена

16.

Внутренний фотоэффект
Заключается в увеличении
электропроводности полупроводников или диэлектриков под
действием света. Это явление
называют фотопроводимостью.

17.

Причиной фотопроводимости
является увеличение концентрации
электронов в зоне проводимости и
дырок в валентной зоне.
Условие внутреннего фотоэффекта:
энергия фотона должна превышать
энергию связи носителя заряда со
своим атомом.

18.

W
h
h
h W
18

19. Донорный полупроводник

Акцепторный
полупроводник
Энергетические схемы переходов в
примесных полупроводниках
( - электроны, - дырки).

20.

Вентильный фотоэффект
Наблюдается в области p-n перехода
или на границе металл-полупроводник.
За счет энергии падающего света в цепи
возникает ЭДС.

21.

Применение фотоэффекта
Приборы, в которых фотоэффект
используется для превращения энергии
излучения в электрическую энергию,
называются фотоэлементами.
Вакуумный
фотоэлемент
Полупроводниковая
солнечная батарея

22.

Фотоэффект широко примененяется в
различных областях техники (телевидение,
фототелеграф, звуковое кино). Фотоэффект
используется также при устройстве
электронных преобразователей оптического
изображения, усилителей яркости.
С помощью фотоэффекта можно перевести
изображение, полученное с помощью
инфракрасного излучения, в видимое.

23. Фотоны

Фотон - элементарная частица,
которая движется со скоростью
света и имеет энергию
h
hc

24.

Масса фотона
Масса покоя фотона равна нулю.
Массу движущегося фотона найдем из
закона взаимосвязи массы и энергии:
mc
h
h
h
m 2 , m 2 , m 2 , m
c
c
c
c
hc
2

25.

Импульс фотона
h
p mc, p , p
,
c
c
h
p ,p
k
c
В векторной форме
p k

26. Давление света

Петр Николаевич
ЛЕБЕДЕВ
(1866—1912)
Основатель выдающейся школы
физиков Московского
университета. Блестящий
экспериментатор. Первым
измерил давление света на
твердые тела, экспериментально
доказав наличие импульса у
электромагнитного излучения.
«Я всю жизнь воевал с
Максвеллом, не признавая его
светового давления, и вот …
Лебедев заставил меня сдаться
перед его опытами» (У. Томсон).

27. Опыт Лебедева

27

28.

Если в единицу времени на
единицу площади
поверхности с
коэффициентом отражения
падает N фотонов, то
N фотонов отразится,
а (1- N) фотонов поглотится.

29.

Изменение импульса каждого поглощенного фотона:
h
pП
c
Изменение импульса каждого отраженного фотона:
h
pО 2
c
Изменение импульса pS 1 кв.м поверхности за 1с
равно давлению света:
pS
F
p
pS , т.к. t 1 и S 1
S t S

30.

h
h
h
p pS 2 N
(1 N ) (1 )
N
c
c
c
E
p 1 w 1
c
Е - энергия N фотонов, падающих на 1 м2 в 1 с,
E
w объемная плотность энергии излучения.
c

31. Давлением света объясняется форма кометных хвостов.

32. Солнечный парус

33.

Эффект Комптона
Эффект Комптона – это увеличение длины
волны рентгеновского излучения,
рассеянного на свободных или
слабосвязанных электронах вещества.
Фотоны
33

34.

Эффект Комптона можно
объяснить только на основе
корпускулярной природы
света. В 1922 г. А. Комптон
показал, что рентгеновский
фотон и электрон
взаимодействуют согласно
законам упругого
столкновения частиц.

35.

Схема опыта Комптона
рентгеновская
трубка
рентгеновский
спектрограф
рассеивающее
вещество

36.

Комптон обнаружил, что в рассеянном
свете присутствует компонента с большей
длиной волны ’, чем исходная .

37.

Результат опыта
Разность длин волн рассеянного и
падающего излучения зависит
от угла рассеяния и не зависит от
вещества и длины волны.

38.

c (1 cos ) 2 c sin
c комптоновская длина волны
c 2, 426 пм
2
2

39. Теория эффекта Комптона

p и p импульсы фотонов до и после рассеяния
рe
импульс электрона
отдачи, θ – угол рассеяния
39

40.

Для упругого удара можно записать
законы сохранения импульса и
энергии в релятивистской форме.
k k pe
me c c p m c
2
2
e
2 2
e

41.

Применив законы сохранения,
можно получить формулу Комптона
и вычислить
h
12
с
2.426 10 м
m0c