Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

05.05.20г.

Тема урока. Внешний фотоэлектрический эффект. Внутренний фотоэффект. Типы фотоэлементов.

Учебник «Физика 11класс» Г.Я.Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин

Изучить и законспектировать § 69(стр.260 – 265),70( стр.266 – 267), использовать интернет материал для изучения темы «Квантовая гипотеза Планка. Фотоны». При работе с учебником можно использовать электронное приложение, которое размещено в электронном каталоге издательства «Просвещение» на интернет - ресурсе www.prosv. ru.

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10^-34Дж∙с.

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называетсявнешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границейфотоэффекта.

hν_min= A_в

где А_в– работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

ν_min - частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, "затрудняющее" вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Задерживающее напряжение

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где - максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн.На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны - фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Встаёт вопрос: как можно применить фотоэффект на практике? Надо сказать, что открытие фотоэффекта имело большое практическое значение. Например, благодаря фотоэффекту стало возможно передавать движущиеся изображение (то есть, телевидение), пришел конец эпохи немого кино. На основе явления фотоэффекта можно без участия человека включать или выключать уличное освещение, открывать или закрывать двери, поднимать и опускать шлагбаумы и так далее. Для подобных целей были изобретены особые устройства, которые называются фотоэлементами. Фотоэлементы – это устройства, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

Надо сказать, что явление фотоэффекта делится на внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света. Это явление применяется в вакуумных фотоэлементах. Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света. Это явление применяется в полупроводниковых фотоэлементах.

Рассмотрим устройство современного вакуумного фотоэлемента. Он представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла. Этот слой изготовлен из металла с малой работой выхода. Он служит катодом. Анодом служит проволочная петля (или диск), находящаяся в центре колбы. Анод улавливает фотоэлектроны. Анод присоединяется к положительному полюсу батареи, а катод – к отрицательному.

Когда свет через прозрачную часть колбы попадает на катод, в цепи возникает электрический ток (за счет движения электронов, вырванных из металла). Этот ток регистрируется тем или иным устройством, в результате чего включается (или наоборот выключается) реле. Эта схема работы лежит в основе всех, так называемых, видящих автоматов – тех же автоматических дверей. Когда человек подходит к такой двери, он закрывает собой свет, и на это незамедлительно реагирует фотоэлемент, а за ним и реле. Можно заметить похожую картину и в современных лифтах: если стоять в дверном проеме, то дверь не будет закрываться. По тому же принципу действуют турникеты в метро или освещение, которое автоматически включается, когда вы входите в помещение.

Рассмотрим устройство полупроводникового фотоэлемента. Напомним, что полупроводники делятся на полупроводники n-типа и полупроводники p‑типа. Полупроводники n-типа – это полупроводники с донорными примесями: в них основными носителями зарядов являются электроны.

Полупроводники p‑типа – это полупроводники с акцепторными примесями: в них основными носителями заряда являются дырки.

Два проводника разных типов могут образовать контакт, который называется p‑n‑переходом. В области p‑n‑перехода существует электрическое поле, под действием которого неосновные заряды перемещаются через контакт.

Под действием света образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к тому, что в полупроводнике n-типа накапливается все больше электронов, а в полупроводнике p‑типа накапливается все больше дырок.

Таким образом, потенциал полупроводника p‑типа увеличивается, а потенциал полупроводника n-типа уменьшается. В итоге, между полупроводниками образуется разность потенциалов, которая и создает ЭДС (эта ЭДС называется фотоЭДС). При замыкании цепи в ней возникнет электрический ток, равный разности токов основных и неосновных носителей. Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и от сопротивления цепи.

Необходимо отметить, что полупроводниковые фотоэлементы создают ЭДС порядка 1–2 В, а их полезная мощность достигает ~100 Вт, при коэффициенте полезного действия около двадцати 20 %. Поэтому встал вопрос об использовании полупроводниковых фотоэлементов в качестве экономичных источников тока. Ярким примером таких источников являются солнечные батареи. Солнечные батареи можно устанавливать на крышах домов и, таким образом, получать абсолютно бесплатную энергию от Солнца.

Например, Германия за 2013 год выработала 5,1 ТВт×ч электрической энергии, используя солнечные батареи. Однако, следует отметить, что изготовление солнечных батарей на данный момент стоит довольно дорого. Кроме того, для производства достаточного количества энергии в промышленных масштабах, требуются огромные площади для солнечных батарей. Тем не менее, солнечные батареи активно используются на космических станциях и кораблях.

Во многих случаях отдельные молекулы поглощают световые кванты, то есть получают определенную энергию. Этой энергии часто может быть достаточно, чтобы молекула расщепилась – то есть, чтобы произошла химическая реакция. Именно такие химические реакции легли в основу фотографии.

Основные выводы:

– Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

– В вакуумных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

– В полупроводниковых фотоэлементах используется внутренний фотоэффект.

– ФотоЭДС – это ЭДС создаваемое разностью потенциалов между полупроводниками p и n типа, из-за возникновения пар электрон-дырка под действием света.

– На явлении фотоэффекта основано устройство солнечных батарей.

– Явление фотоэффекта лежит в основе фотографии.

Задания к теме:

12 Следующая ⇒