Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Теоретичні відомостіЯвище фотоефекту – один з проявів взаємодії світла з речовиною і розкриває квантову природу світла. Фотоефект – перехід електронів речовини у новий енергетичний стан під дією освітлення. Поділяється на зовнішній, внутрішній та вентильний. Зовнішній фотоефект – виривання електронів з поверхні речовини під дією освітлення. Електрони, звільнені світлом називаються фотоелектронами. Схема експериментальної установки для дослідження явища зовнішнього фотоефекту зображена на рис. 1. Два електроди (один у вигляді сітки, другий – плоский), знаходяться у вакуумі і під’єднані до батареї. Увімкнений у коло амперметр служить для вимірювання сили струму. Фотоефект у значній мірі залежить від чистоти освітлювальної поверхні. Тому точні досліди проводять зі свіжими поверхнями. Під час вимірювання між електродами підтримують високий вакуум, оскільки наявність газів може значно змінити властивості поверхні і ускладнює умови виходу і перенесення заряду. Шляхом узагальнення експериментальних даних були встановленні наступні закономірності фотоефекту: – при незмінному спектральному складі світла сила фотоструму насичення прямо пропорційна падаючому на катод світловому потокові; – початкова кінетична енергія вирваних світлом електронів лінійно зростає зі збільшенням частоти світла і не залежить від його інтенсивності; – гальмівна напруга лінійно залежить від частоти і не залежить від його інтенсивності; – фотоефект не виникає, якщо частота світла менша деякої характерної для кожної речовини величини , яка називається червоною межею фотоефекту; – фотоефект – явище без інерційне, тобто після припинення освітлення він припиняється.
Рисунок 1 – Схема установки для дослідження залежності фотоструму від напруги і сили світла.
При внутрішньому фотоефекті електрони залишаються в речовині, але із зв’язаного стану переходять у вільний стан (у зону провідності). Для внутрішнього фотоефекту енергія поглинутого світлового кванта не повинна бути меншою ширини забороненої зони (різниця енергій між нижньою границею зони провідності і верхньою границею валентної зони). Вентильний фотоефект – це явище виникнення електрорушійної сили при освітленні контакту двох напівпровідників або напівпровідника і металу за відсутності зовнішнього електричного поля. Тобто, при вентильному фотоефекті під дією світла виникають пари електрон-дірка, які контактним полем переходу розводяться. Це призводить до виникнення фото електрорушійної сили. Явище фотоефекту і усі його закономірності добре пояснюються за допомогою квантової теорії світла, що підтверджує квантову природу світла. Ейнштейн застосувавши до явища фотоефекта у металах закон збереження енергії, запропонував наступну формулу:
де – робота виходу електрона з металу; – маса електрона; – швидкість фотоелектрона. Згідно Ейнштейну кожен квант поглинається тільки одним електроном, причому частина енергії падаючого фотона витрачається на виконання роботи виходу електрона металу, решта енергії передається електрону у вигляді кінетичної енергії. З формули фотоефект у металах спостерігається тільки при , в іншому випадку енергія фотона буде недостатньою для виривання електрона з металу. Найменша частота світла , під дією якого спостерігається фотоефект, визначається з умови:
Частота світла, яка визначається умовою , називається «червоною межею» фотоефекту. Слово «червона» не має ніякого відношення до кольору світла, при якій спостерігається фотоефект. В залежності від металу «червона межа» може відповідати червоному, жовтому, зеленому, синьому, ультрафіолетовому світлу і т.д. Припустимо, що між анодом і катодом прикладений гальмівний потенціал . Якщо кінетична енергія електронів достатня, то вони, подолають гальмівне поле і створять фотострум. У фотострумі беруть участь ті електрони, для яких виконується умова:
де – максимальна швидкість вирваних фотоелектронів. Підставивши в (1), отримаємо:
Таким чином, величина затримуючого потенціалу не залежить від інтенсивності, а залежить від частоти падаючого світла. Роботу виходу електронів з металу і сталу Планка можна визначити, побудувавши графік залежності від частоти падаючого світла (рис. 2). Як видно, і відрізок, який відтинається від осі потенціалу, дає . Оскільки інтенсивність світла прямо пропорційна до кількості фотонів, то збільшення інтенсивності падаючого світла призводить до збільшення числа вирваних електронів, тобто до збільшення фотоструму.
Рисунок 2 – Залежність гальмівної напруги від частоти падаючого світла.
З формули , видно, що енергія фотоелектронів залежить від частоти падаючого світла. Це дозволяє визначити сталу Планка. На основі формул та для двох частот отримаємо звідки:
де , – затримуючі потенціали. Прилади, дія яких ґрунтується на використанні фотоефекту, називаються фотоелементами. Фотоелементи складаються із скляного балона, всередині якого у вакуумі розміщені фотокатод і колектор електронів або анод (рис.3). Фотокатод являє собою тонкі шари сурми і цезію або інших металів (Rb, Na, K), нанесені на внутрішню поверхню скляного балона. Матеріал фотокатода вибирається залежно від області застосування фотоелемента. Так, сурм’яно-цезієві фотокатоди чутливі до ультрафіолетової та короткохвильової частини видимого світла, киснево-цезієві – до інфрачервоної частини спектру. Друга половина балона прозора – для проходження світла у середину. У центрі балона розташований анод у вигляді кільця або сфери, який ефективно вловлює вибиті фотоелектрони. При бомбардуванні у вакуумі поверхні металу швидкими електронами, то ці електрони викликають емісію нових електронів з цієї ж поверхні, тобто спостерігається явище вторинної електронної емісії. Число вторинних електронів може бути у декілька разів більшим за число первинних електронів. Це явище лежить в основі роботи фотоелектричних помножувачів, які застосовуються у різних галузях науки і техніки: у ядерній фізиці як сцинтиляційні лічильники, у спектрометрії, для підсилення слабких іонних струмів у мас спектрометрії та ін. Фотоелектронний помножувач (рис. 3) являє собою електровакуумний прилад, що складається з фотокатода, системи вторинних емітерів, електродів (динодів) і анода (колектора) з додатковими електродами. Під дією електромагнітного випромінювання з поверхні фотокатода вибиваються електрони. Під дією електричного поля між фотокатодом і першим електродом системи електрони прискорюються і спрямовуються на перший емітуючий електрод. За рахунок вторинної електронної емісії з першого динода вибивається у разів електронів більше, ніж на нього падає. Внаслідок лавиноподібного процесу, який відбувається у фото помножувачі, на аноді збирається у разів більше електронів, ніж було вибито з фотокатода.
Рисунок 3 – Схема та зовнішній вигляд фотоелектронного помножувача: 1 – ініціюючий фотон; 2 – сцинтилятор; 3 – світловий фотон; 4 – фотокатод; 5 – фокусуючий електрод; 6 – електрони; 7 – динод; 8 – корпус фотоелектронного помножувача; 9 – анод; 10 – електричні контакти.
|