Quantum tulajdonságait a fény

Együtt a törvényi hősugárzás a végén XIX. Azt fedezték fel, egy optikai jelenség nem fér bele keretében a klasszikus fizika törvényei. Ez a jelenség a fotoelektromos hatás, vagy egyszerűen csak a fényelektromos hatás.

Fotoelektromos hatás vagy fényelektromos hatás nevezik kibocsátása elektronok a felületén szilárd anyagok és folyadékok által a fényt. A gáz ionizációja atomok és molekulák fény nevű fotoionizációs.

Ez a jelenség volt megfigyelhető figyeli a 1887 Hertz túllövés szikrafogóval közötti cink golyó, észrevette a következő: besugárzása az egyik elektród gyöngyök ultraibolya sugarak vezet egy szikra egy alacsonyabb feszültség az elektródák között. A 1888 - 1889 év. Magyar tudós AG Stoletov végzett részletes tanulmányt a fotoelektromos hatás és fogalmazta meg a törvényeket.

Erre a célra is konstruált telepítése sorozatából álló szereplő az akkumulátor áramkör a galvanométer G és egy kondenzátort, egy lemez, amely egy fém háló (ábra. 2.1). Fény hatol át a hálón, incidens a szilárd kondenzátor lemez. Ebben az esetben az aktuális galvanométerrel rögzítésre kerül. Ezen túlmenően, a jelenlegi magasabb volt, minél nagyobb a megvilágítás lemez. Stoletov azt is kimutatta, hogy a kibocsátott fény a lapka felületén negatív töltések. Nyilvánvaló volt, hiszen a megjelenése a jelenlegi figyeltek csak megvilágítva negatív töltésű lemez.

Ábra. 2.1. Vezetési élmény Stoletova ábra. 2.2. Vezetési élmény Lenard és a Thomson

1899-ben G. F. Lenard és J .. J. Thomson mért fajlagos töltés a részecskék, így azt találtuk, hogy a negatív töltésű hordozók elektronok. Azt javasolták, egy speciális eszköz a tanulmány a fotoelektromos hatás (ábra. 2.2).

Az elektródákat helyeztünk egy speciális tartályba, amelyből levegő kiürítették. Keresztül a kvarc ablakon a K katód, tette a vizsgált anyag, megvilágítva. Hatása alatt a fény a katód felületét, elektronok kiesnek, és ha a katód és az anód feszültség van, elektronok elérheti az anód. Fotoáram ebből eredő, rögzített galvanométer G. A feszültség a katód és az anód lehet változtatni potenciométer segítségével P.

A feszültség változtatásával, akkor kap az áram-feszültség karakterisztika (CVC) - a függőség a fotoáram i a feszültség az elektródák közötti U (2.3 ábra.). A pontos görbét, méréseket kell végezni állandó fényáram F.

Mivel egy bizonyos feszültség, áram megszűnik növelése - fényáram eléri a telítettséget. Telítési áram figyelhető meg, ha az összes elektronok kilökődik a katód hatása alatt a fény, eléri az anód.

fotoáram különbség nulla nulla feszültség azt jelzi, hogy az eltérés a katód, elektronok egy bizonyos sebességet. Ha az arány elég magas, az elektronok elérheti az anód egyedül. Annak megakadályozása érdekében behatolása elektronok a második elektróda, azaz, hogy megakadályozzák a megjelenését a fotoáram, szükséges alkalmazni zárófeszültség Uz. az úgynevezett „késés”. Mérésével „késleltető” feszültség, lehetőség van, hogy megtalálja a maximális sebesség elektronok kilökődik a katód felülete:

ahol V, M és E - rendre sebesség, tömegét és töltését egy elektron.

Ábra. 2.3. A áram-feszültség jellemző a fotoáram

Elég meglepő, hogy a tudósok, akik tanulmányozták ezt a jelenséget az a tény volt, hogy a maximális sebesség az elektronok nem függ a fény intenzitását, és függ a frekvencia - hatása alatt kék fény nyerhető gyorsabb elektronok, mint a piros fény. Klasszikus elképzelések fizika nem tudja megmagyarázni, hogy - úgy gondolták, hogy a fényesebb a fény, a nagyobb a sebesség, az elektronok kilökődik a felületre. Ezzel ellentétben a nézet, csak az első törvénye fotoemissziós. A maximális kiindulási sebességét a fotoelektronok definiáljuk fény frekvenciája, és nem függ a intenzitása.

Mivel a frekvencia a fény határozza meg a maximálisan kinetikus energia az elektron, ha a frekvencia értéke változik a retardáló feszültség. Ábra. 2.3 azt mutatja, hogy ha a frekvencia változik két görbe azonos telítési áram értéke metszi a vízszintes tengely különböző pontjain - Uz1 és Uz2.

Ez a törvény csak úgy magyarázhatjuk támaszkodva kvantum fény természetéről. Beeső fényt a felszínen, amely a katód egy részecskefolyam QUANTA (fotonok). Minden kvantum amikor összeütközött egy felületen, akkor átadja az energiáját. Azonban az energia több foton nem halmozódik fel a kérdést, csak hogy „dobja” a tér egy elektron mozgási energiája több fotont. A összegzése több energiakvantumok (két, három, nagyon ritkán - négy vagy több) csak akkor lehetséges, ha egy fényforrás nagy sűrűségű gerjesztés. Így a sugárzási tulajdonságokkal rendelkezik, erős lézerek. Hatása alatt a lézersugár figyelhető multifotonos fotoelektromos hatás. Energia használt kiütése mindegyik elektron ebben az esetben egyenlő E = NH # 957;, ahol n - száma integrálható kvantum.

Minden foton megszabadítjuk a felület nem több, mint egy foton vagy az energia egyszerűen elnyeli a felszín, és adja az energiát a termikus rezgések a rács. Azaz, a fotoáram arányos a fotonok száma a fényáram, vagy más szóval: A fotoelektronok száma felszabadult a katód egységnyi idő arányos a fény intenzitása, így lehetőség van megfogalmazni a második törvénye fotoemissziós.

Ez a funkció is befolyásolja tisztán kvantummechanikai természetét, és nem lehet magyarázni, ha figyelembe vesszük a fény, mint egy folyamatos hullám. Nyilvánvaló, hogy miután egy bizonyos számú foton érkezik egy felületre, ez nem lehetséges áram nagyobb, mint az úgynevezett telítési áram (Ir ábrán. 2.3). Így, telítettsége fotoáram arányos besugárzott felületi katód (ábra. 2.3 telítési áram görbék F1 és F2 más értéke).

Ezen túlmenően, a fotoelektromos hatás - a folyamat szinte azonnali. Ez azt jelenti, hogy a jelenlegi az áramkörben szinte azonnal felvett (t = 10 -9 c) érintkezik a fényáram a katód, bár az a klasszikus hullám ábrázolások, az energia a fényáram fokozatosan felhalmozódnak a felületen az anyag és egy idő után, összpontosítva néhány elektronok, arra kényszerítve őket, hogy hagyják el a területet. A szempontból kvantum energia transzfer elektron foton lép fel azonnal, mint az ütközés két szervek.

Minden kísérleti adatot gyűjtöttek, és kifejtette keretében az egységes elmélet Albertom Eynshteynom. Ezek származó energia egyenletet a külső fotoelektromos hatás rögzítve egy foton és egy elektron:

Az energia az egyes foton fogyasztják, hogy hajtsa végre a kilépési munka, a maradék energia lesz pecsételni a felület az anyag formájában elektron kinetikus energia. Vmax megfelel az elektronok, hogy a felszínen voltak az anyag. Nyilvánvaló, hogy az elektronok található mélyebben, ha tudnak elszakadni a felület lesz lassúbb, mert a kopogás szükség bólshaya energiát.

Paraméter munkát AO kilép. egyenlet (2.2), jelzi, hogy milyen energiát kell fordítottak felülkerekedik az tartja az elektronok az anyagban. A kilépési munka határozza meg a kémiai természete (minden egyes anyag esetében, azt a saját értéke), és az állam a minta felületének esetében szilárd. Az oxidációs vagy felületi szennyeződésének bármely anyag akkor jelentősen befolyásolják az elektron hagyja el a felületen.

Mivel a fotoelektromos fontos, hogy felszámolja a tartó erőt az elektron a felszínen, döntő fontosságú lesz értéke egy kvantum fény beeső energia a felszínre. Ebben a tekintetben a harmadik törvénye fotoemissziós kimondja:

Minden anyag, ott van a vörös szélén a fotoelektromos hatás, azaz a minimális frekvencia # 957; 0 fény, amely még mindig lehetséges fotoemissziós. frekvencia # 957; 0 határozza meg a kilépési munka, és így attól függ, hogy a kémiai anyag természetétől és a felületi állapot.

A legtöbb fém, AO = 2 ÷ 6 eV. Fejezzük Einstein egyenlet fény előfordulási # 957; 0. amelynél elektronmikroszkópos le az anyag nulla sebességen (és így nulla kinetikus energia):

Így, a frekvencia a piros határ eshet a látható tartományon kívüli. A fotoelektromos hatás figyelhető meg a fémek garantálja az intézkedés ultraibolya vagy röntgensugarakkal. A munka értékét funkció lehet meghatározni feltételezve, hogy a fotonenergia teljesen kimerült.

Kétféle a fotoelektromos hatás: belső (áramló félvezetők vagy szigetelők) és a szelep (csak akkor lehetséges határán a két félvezetők vagy félvezető és fém).

A belső fotoelektromos hatás az, hogy az elektronok belsejében a félvezető vagy dielektromos labdát kötött állapotba a rendelkezésre álló nélkül indulás kifelé. Ez azt jelenti, hogy az elektronok, amelyek a normál állapotban vannak kötve a magok lesz ingyenes. Ennek eredményeként, a hordozó koncentrációja a testen belül megnő, ami vozniknoveniyufotoprovodimosti (növelje a villamos vezetőképesség a félvezető vagy dielektromos ha világít), vagy EMF megjelenését. Valve fotoelektromos hatás egyfajta belső fotoelektromos hatás.

napelemek alapján működnek a fényelektromos hatás - sugárzás detektorok, amelyek átalakítják az energiát ennek a sugárzásnak elektromos energiává alakítja. Modern félvezető technológia egy széles választéka különböző napelemek szánt különböző célokra - az egyszerű, hogy összetett mozgást felvevő berendezések átalakítására napenergia elektromos vagy képalkotó infravörös sugárzás (ún éjjellátó szemüveg).