Уравнение Эйнштейна

При исследовании фотоэффекта (см. рис.5) увеличивают внешнее напряжение, приложенное к фотоэлементу, ток возрастает и достигает при заданном освещении некоторой максимальной величины, называемой током насыщения. Зависимость силы фототока от величины внешнего напряжения представлена на рис.6. Ток насыщения достигается, когда все фотоэлектроны, вырванные светом, попадают на анод. При фототок не исчезает. Это служит свидетельством того, что электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить отрицательное напряжение (задерживающее) . При таком напряжении ни один из электронов, даже вылетевших с максимальной скоростью (), не достигает анода. Поэтому можно записать:

где и – масса и заряд электрона.

Рис.6. Зависимость силы фототока от величины внешнего напряжения

Таким образом, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

При изучении вольт-амперных характеристик разных материалов при различных частотах и энергиях падающего на катод излучения были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

1. Закон Столетова. Общее число фотоэлектронов, которые вырываются из катода за единицу времени, и сила фототока насыщения прямо пропорциональны световому потоку , падающему на катод: .

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой .

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта: такая наименьшая частота (или наибольшая длина волны ), при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Эйнштейн на основе квантовой теории, предложенной М.Планком, и закона сохранения энергии в квантовых процессах объяснил явление фотоэффекта.

Фотон, имеющий энергию , попадая в металл, отдает свою энергию электрону. Эта энергия идет на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии . Уравнение Эйнштейна имеет вид:

.

Из этого уравнения видно, что максимальная скорость фотоэлектронов определяется только частотой света (второй закон фотоэффекта). Очевидно также, что при некоторой достаточно малой частоте фотоэффект прекратится, т.е. (третий закон фотоэффекта). Таким образом, красная граница фотоэффекта определяется из следующих формул:

.

При – фотоэффекта быть не может.

Внешний фотоэффект наблюдается в металлах, полупроводниках, диэлектриках, а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) заключается в обусловленном действием света перераспределении электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, то поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока – электрон и дырка, что проявляется в увеличении электропроводности вещества. Если в веществе имеются примеси, то под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости.

Рис.7. Схема включения полупроводника в электрическую цепь

Если полупровод­ник Ф (рис.7), включенный в электри­чес­кую цепь, осветить, то ток в цепи изменится, так как под действием света изменяется электри­ческое сопротивление полу­про­вод­ника. Так как при внутреннем фото­эффекте происходит перераспреде­ление электронов по энергети­ческим уровням, концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости или ЭДС. Сопротивление полупроводника под действием света уменьшается, так как свет переводит электроны из заполненной валентной зоны в зону проводимости.

Внутренний фотоэффектнаблюдается в диэлектриках и полупроводниках.

Date: 2015-05-19; view: 567; Нарушение авторских прав