Возникает ли фотоэффект на серебре если его облучать фотонами

При облучении металлов видимым светом или ультрафиолетовым излучением, часть световых квантов (фотонов) отражается от поверхности, а другая проникает в толщу и там поглощается, отдавая энергию электронам. Если этой энергии достаточно для того, чтобы электрон преодолел силы, удерживающие его внутри атома, носитель отрицательного заряда становится свободным и может двигаться под действием внешнего электрического поля, создавая электрический ток. Это явление называется фотоэффектом.

Открытие фотоэффекта

Впервые проявление фотоэффекта наблюдал Генрих Герц в 1887 году. Он заметил, что при освещении разрядников ультрафиолетом искрообразование при прочих равных условиях облегчается. Это явление впоследствии было названо внешним фотоэффектом, и объяснялось тем, что под действием света электроны покидают металл, ионизируя искровой промежуток.

Немного раньше, в 1873 году, Уиллоби Смит наблюдал, как сопротивление селеновых проводников уменьшается при облучении их от внешнего источника. Так был открыт внутренний фотоэффект. В основе этого явления лежит появление в полупроводнике дополнительных свободных электронов, высвобождающихся под действием видимого света (или ультрафиолета).

Энергия фотона (видео 1) | Квантовая физика | Физика

Поэтому, когда говорят о фотоэффекте, подразумевается два проявления этого явления:

• внешний фотоэффект;
• внутренний фотоэффект.

Хотя в основе лежат одни и те же физические процессы, оба вида фотоэффекта проявляются по-разному.

Часто отдельно выделяется вентильный фотоэффект – когда при облучении видимого света полупроводникового перехода в нём возникает ЭДС.

А.Г. Столетов

Интересы Герца, как исследователя, лежали в другой плоскости, поэтому изучать замеченное им явление он не стал. Зато большой вклад в изучение внешнего фотоэффекта внёс в науку русский ученый Александр Григорьевич Столетов. В 1888 году он заново «открыл» фотоэффект и всерьез заинтересовался им.

Изучая это явление с помощью собственных экспериментальных установок, он прикладывал напряжение к двум металлическим пластинам, которые находились в вакууме на определенном расстоянии. При облучении одной из пластин потоком света между пластинами возникал ток, названный фототоком. Этот фототок возникал из-за появления свободных электронов, выбитых из пластины фотонами, и его можно зарегистрировать предусмотренным для этого миллиамперметром.

Схема установки Столетова для изучения фотоэффекта

Если напряжение между пластинами отрицательно, ток в цепи отсутствует. Электронам не хватает кинетической энергии, чтобы преодолеть силы электрического поля. При уменьшении отрицательной разности потенциалов (движении в сторону нуля) в какой-то момент возникает ток.

Куда исчезают фотоны когда гаснет свет?

Напряжение в этот момент позволяет определить кинетическую энергию фотоэлектронов, и называется задерживающим напряжением. При увеличении разности потенциалов в положительную сторону ток возрастает, но в какой-то момент достигает порогового значения, называемого фототоком насыщения. При его достижении, количества выбитых электронов не хватает для дальнейшего увеличения тока.

Законы фотоэффекта

Столетов эмпирически вывел закон: фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности излучения. Чем выше интенсивность света, тем больше ток насыщения. Иными словами, чем выше интенсивность светового потока, тем больше электронов исходит из твердого тела. Этот закон называется первым законом фотоэффекта.

Ток насыщения для трех значений светового потока, где Ф1> Ф2> Ф3

Второй закон фотоэффекта гласит, что кинетическая энергия электронов, выбитых из заданного металла, линейно возрастает с повышением частоты светового излучения (с приближением к фиолетовому участку спектра и заходом в ультрафиолетовую область), но не зависит от интенсивности светового потока.

Большой вклад в изучение данного явления внес Альберт Эйнштейн. На основе квантовой теории он дал теоретическое обоснование фотоэффекта. Согласно изысканиям Эйнштейна, электрон поглощает фотон получает порцию энергии, которая позволяет ему вылететь за пределы кристаллической решетки металла. Часть энергии тратится на совершение работы выхода – то есть, на преодоление сил, удерживающих его внутри металла. Остаток энергии определяет кинетическую энергию электрона:

• hν – энергия фотона, зависящая от частоты;
• А – работа по преодолению внутренних сил, которая называется работой выхода;
• (me*vm 2 )/2 – кинетическая энергия фотона после совершения работы выхода.

Эта формула названа формулой Эйнштейна для фотоэффекта. Она подтверждает и объясняет второй закон фотоэффекта. Из нее очевидно, что при снижении частоты фотона кинетическая энергия электрона после выхода из вещества будет снижаться.

Красная граница фотоэффекта

При достижении определенной граничной частоты энергии фотона хватит лишь для того, чтобы заставить электрон совершить работу выхода (кинетическая энергия станет равной нулю). Если частота фотона будет ниже этого нижнего предела, то энергии фотона не хватит на совершение работы выхода, и фотоэффекта не произойдет. Это также прямо следует из формулы Эйнштейна.

Граничная частота νmin определяет нижнюю границу, при которой возможен выход электрона из вещества. При этом А= hνmin. Этой частоте соответствует наибольшая критическая длина волны λкр =с/ νmin, и А=h*c/ λкр.

Так как со снижением частоты (увеличением длины волны) цвет видимого излучения приближается к красному, то этот предел называют «красной границей» внешнего фотоэффекта. Она определяется свойствами вещества, которое облучается фотонами, и не зависит от интенсивности светового излучения (от количества фотонов). Так, для серебра λкр = 260 нм, а для цезия λкр = 620 нм. Кроме того, νmin зависит от состояния облучаемой поверхности материала, на которую падают кванты света. Закон красной границы называется третьим законом фотоэффекта.

Использование фотоэффекта на практике

На практике фотоэффект применяется для превращения энергии света в электрическую энергию. В науке и технике широко используют фотоэлементы – устройства, изменяющие электрические свойства при облучении их видимым светом. Это позволяет обнаружить наличие / отсутствие света или изменение его интенсивности.

Внешний фотоэффект обычно используется в вакуумных фотоэлементах. Два электрода – катод и анод – располагают в стеклянной колбе, из которой откачан воздух. Катод выполняют из металла с малой работой выхода. Если к катоду и аноду приложить напряжение соответствующей полярности, то электрического тока в цепи не будет.

А если на катод будет падать свет, то он начнет испускать электроны. За счет этой эмиссии в цепи пойдет ток. Такие приборы имеют сложную и неудобною конструкцию, их область применения постоянно сокращается за счёт распространения полупроводниковых фотоэлементов.

Вакуумный фотоэлемент и включение его в цепь

В полупроводниковых устройствах используется внутренний фотоэффект. Например, фоторезистор состоит из диэлектрической подложки, на которую напылён проводящий слой. Поверх него змейкой нанесён полупроводник, в котором в нормальном состоянии имеется небольшое количество основных носителей, его сопротивление велико, и ток (при приложении напряжения) через этот элемент невелик. Но как только на полупроводник попадает свет, за счёт внутреннего фотоэффекта высвобождается большое количество электронов, сопротивление падает, и ток в цепи резко возрастает.

Внутреннее устройство фоторезистора

При этом величина сопротивления фотоэлемента (следовательно, тока в цепи), независимо от его конструкции, зависит от уровня освещённости, а также от спектра падающего излучения. Поэтому по изменению тока через фотоэлемент можно судить не только о наличии света, но и о его интенсивности, а также цвете (или цветовой температуре).

Зависимость сопротивления фоторезистора от уровня освещенности

Это свойство фотоэлементов используется в различных приборах:

• фотореле (для счёта предметов или включения освещения;
• светочувствительных матрицах электронных фотоаппаратов и видеокамер;
• оптических измерительных приборы;
• прочих устройствах, реагирующих на изменение освещенности.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы с p-n переходом, принцип работы которых построен на вентильном фотоэффекте. Во время этого явления электродвижущая сила (называемая фотоЭДС) возникает при отсутствии других воздействий. Если соединить противоположные области p-n перехода проводником, в нём возникнет ток. Это даёт два принципиальных преимущества перед обычными фотоэлементами:

• они могут формировать сигнал, зависимый от падающего светового излучения, без внешнего источника питания;
• подобные фотоэлементы напрямую преобразовывают энергию фотонов в электроэнергию.

Вторая особенность позволяет создавать эффективные «солнечные батареи» — источники электроэнергии, преобразующие энергию солнца в электрический ток.

Первые солнечные батареи выглядели так

Впервые попытка промышленного использования даровой электроэнергии, полученной из солнечного света, была осуществлена в США еще в XIX веке. Но на тот момент стоимость таких устройств была большой, а КПД низким. По мере развития технологий, строить солнечные панели становилось все дешевле, а коэффициент преобразования становился всё выше. На сегодняшний день это направление «зеленой» энергетики успешно развивается и часто составляет серьезную конкуренцию традиционным способам выработки.

Таким образом, открытое около полутора веков явление поставлено на службу человеку. Явление неплохо изучено с точки зрения физики, но, скорее всего, некоторые открытия ещё впереди.

Похожие статьи:

История открытия электричества

Что такое электрический ток простыми словами

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Измерение освещенности: понятие люменов и нормы освещенности на 1 квадратный метр

Что такое анод и катод?

Источник: odinelectric.ru

Лицей 34, г. Новокузнецк, Кемеровская обл. Родионова Ольга Эргардовна

Единственный в мире Музей Смайликов

Самая яркая достопримечательность Крыма

Скачать 0.53 Mb.

Ответ: t = t= 1,57 ∙ 10 – 7 с.
28. Одна из пластин плоского конденсатора, изготовленная из материала с работой выхода Ав, освещается излучением с длиной волны . Ежесекундно с каждого метра площади пластины вырывается N фотоэлектронов, которые собираются на второй пластине, находящейся на расстоянии d от первой. Через какой промежуток времени фототок прекратится?

29 [5]. На уединённый никелевый шарик радиусом 0,5 см падает свет с длиной волны 250 нм и выбивает из него некоторое количество фотоэлектронов. Сколько фотоэлектронов покинет шарик дополнительно, если на него дополнительно направить свет с длиной волны 200 нм?

Ответ: N = = 4,32 ∙ 10 6 фотоэлектронов.
30 [18]. Две плоские заряженные металлические пластины расположены на расстоянии 1 см в вакууме. Напряжение между пластинами 10 В. Отрицательно заряженная пластина освещается узким пучком света, длина волны которого 130 нм. Определите радиус окружности на поверхности положительно заряженной пластины, ограничивающей область попадания фотоэлектронов. «Красная граница» фотоэффекта с поверхности пластины равна 330 нм.

Ответ: R= 2d=1,6 ∙ 10 – 2 м.

31 [14]. Излучение аргонового лазера сфокусировано на плоском фотокатоде. Между плоским анодом, расположенным параллельно фотокатоду, и фотокатодом подключают источник питания с постоянным ЭДС.

При ускоряющей разности потенциалов между анодом и фотокатодом диаметр пятна фотоэлектронов на аноде в 2 раза превышает диаметр пятна фотоэлектронов на аноде при смене полярности напряжения, т. е. при тормозящей разности потенциалов между анодом и фотокатодом. Работа выхода материала фотокатода Ав = 2 эВ. Длина волны излучения лазера  = 500 нм. Определите ЭДС источника.

Ответ:  = .
32 [2]. В таблице приведены значения энергии стационарных состояний атома водорода.

Возникнет ли фотоэффект на натрии, если его облучать светом, который испускают атомы водорода, при переходе из третьего стационарного состояния во второе?

Ответ:  = 4,6∙10 14 Гц 15 Гц > кр., возникнет.
34 [5]. Для увеличения яркости изображения слабых источников света используется вакуумный прибор электронно-оптический преобразователь (ЭОП). В этом приборе фотоны, падающие на катод, выбивают из него фотоэлектроны, которые ускоряются разностью потенциалов 12 кВ и бомбардируют флуоресцирующий экран, рождающий вспышку света при попадании каждого электрона.

Длина волны падающего на катод света 622 нм, а света, излучаемого экраном, 430 нм. Какое количество фотонов, падающих на катод, приходится на один выбитый фотоэлектрон, если прибор увеличивает энергию светового излучения, падающего на катод, в 1000 раз? Работу выхода электронов принять равной 1 эВ. Считать, что энергия электронов переходит в энергию света без потерь. Ответ округлите до целого числа.

Источник: topuch.com

Фотоэффект

Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света.

В1888 г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:

1.Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, го заряд пластины не изменится.

2.Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадаютна отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны,которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый чувствительным гальванометром.

Законы фотоэффекта

Количественные закономерности фотоэффекта (1888–1889) были установлены А. Г. Столетовым. Он использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами.

Первый закон

Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта.

Фототок насыщения пропор­ционален световому потоку, падающему на металл: I=ν∙Φ, гдеν– коэффициент пропорциональ­ности, называемый фоточувствительностью вещества.

Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Второй закон

Изменяя условия освещения на этой же установке, А. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Если к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекратится. Это явление не зависит от величины светового потока.

Используя закон сохранения энергии , гдеe– заряд;m – масса электрона;v– скорость электрона;Uз– запирающее напряжение, устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, тоUз2>Uз1, поэтомуEк2>Eк1. Следовательно,ν2> ν1.

Таким образом,кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.

Третий закон

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. существует наименьшая частота νmin, при которой еще возможен фотоэффект. Приν νminни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Четвертый закон

Фотоэффект практически безынерционен (t = 10 −9 с).

Теория фотоэффекта

А.Эйнштейн, развив идею М.Планка (1905), покачал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает: свет имеет прерывистую структуру.

Излученная порция Е=hνсохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

На основании закона сохранения энергии .

Так как ,, , .

Фотон и его свойства

Фотон – материальная, электрически нейтральная частица.

Энергия фотонаE=hνилиЕ=ħω, так как, ω = 2πν. Еслиh= 6,63∙10 −34 Дж∙с, тоħ ≈ 1,55∙10 −34 Дж∙с.

Согласно теории относительности E=mc 2 =hν, отсюда, гдеm– масса фотона, эквивалентная энергии.

Импульс, так какc=νλ. Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Основные свойства фотона

1.Является частицей электромагнитного поля.

2.Движется со скоростью света.

3.Существует только в движении.

4.Остановить фотон нельзя: он либо движется сv=с, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Эффект Комптона (1923)

А.Комптон подтвердил квантовую теорию света. Взаимодействие между фотоном и связанным в атоме электроном:

1.С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах:

νрас.=νпад, что опытом не подтверждается.

2.Фотоэффект – полное поглощение фотона.

3. При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А.Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны (λ) рассеянного излучения по сравнению с длиной волны (λ) падающего излучения. Чем больше φ, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты ν (увеличение λ). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А.Комптона можно объяснить: фотон частотой ν обладает энергией E = hν, массой и импульсом.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон-электрон: hν +m0c 2 = hν’ +mc 2 ,,где m0c 2 – энергия неподвижною электрона; hν – энергия фотона до столкновения; hν’ – энергия фотона после cтолкновенияс фотоном; и – импульсы фотона до и после столкновения;mv– импульсы электрона посте столкновения с фотоном.

Решение уравнений для энергии и импульса дает формулу для изменения длины волны при рассеянии фотона на элек гронах: , где– комптоновская длина волны.

Источник: studfile.net