Transcript Фотоефект
Slide 1
Фотоефект - це група явищ,
пов'язаних
із
«звільненням"
електронів твердого тіла від
зв'язків усередині атома під дією
електромагнітного
випромінювання.
електричний
ефект
Електрони, що вилітають із речовини при зовнішньому
фотоефекті, називаються "фотоелектронами ", а
електричний струм, який утворюється ними при
упорядкованому русі у зовнішньому електричному полі,
називається "фотострумом ".
Slide 2
Види фотоефекту
1)зовнішній
фотоефект
(фотоелектронна
емісія) - випромінювання електронів з поверхні твердого тела під
дією світла, гамма - випромінювання і т. і. (відкритий Г. Герцем у
1887, пояснений Ейнштейном);
2) внутрішній фотоефект – перерозподіл електронів за
енергетичними станами в твердих та рідких напівпровідниках та
діелектриках, який спричиняється світлом. Він проявляється у
зміні концентрації носіїв струму у середовищі і призводить до
виникнення фотопровідності;
3) вентильний фотоефект - збудження світлом ЕРС на межі
поділу метал - напівпровідник або між різнорідними
напівпровідниками. При вентильному фотоефекті фотоелектрони
виходять через поверхню поділу з одного тіла в інше.
Slide 3
Залежність сили фотоструму
від прикладеної напруги. Крива
2 відповідає більшій
інтенсивності світлового потоку.
Схема експериментальної
установки для вивчення
фотоефекту
та
– струми
I н1
I Uз
насичення,
н 2 – запірний
потенціал
Slide 4
Закони Столєтова для
фотоефекту
1 Кількість електронів (фотоелектронів), що вибиваються світлом за
одну секунду з поверхні металу(тобто струм насичення), прямо
пропорційна інтенсивності світла.
2 Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно
збільшується із збільшенням частоти світла і не залежить від його
інтенсивності.
3 Для кожної речовини існує червона границя фотоефекту min ,
тобто мінімальна частота (максимальна довжина хвилі), при якій
фотоефект ще можливий.
4 Фотоефект є практично неінерційним, фотострум виникає миттєво
після початку освітлення катоду, за умови, що частота світла
m in
Slide 5
Російський вчений, професор фізики у
Московському
університеті.
Закінчив
Московський Університет, стажувався в
лабораторії Кірхгофа.
Окрім
двох
дисертацій,
найбільш
важливими є наступні роботи Столєтова
"О Кольраушевом измерении ртутной
единицы
сопротивления";
"Sur
une
methode pour determineh le rapport des
unites
electromagnetiques
et
electrostatiques" (le "v" de Maxwell); "Об
электричестве
сопротивления";
"О
критическом состоянии тел" (4 ст.);
"Актиноэлектрические
исследования";
Столєтов Олександр "Эфир и электричество" (речь); "Очерк
Григорович
развития наших сведений о газах";
"Введение в акустику и оптику" (курс).
1839 - 1896
Slide 6
Червона границя фотоефекту визначається частотою,
при якій електрон може залишити метал, але його
кінетична енергія буде дорівнювати нулю, тобто
min
A
max
i
h
hc
A
Енергія і імпульс фотона
Квант світла Ейнштейн назвав фотоном.
Енергія фотона
Імпульс фотона
h h
pф
c
c
h
c
h
Slide 7
Закони фотоефекту не узгоджуються з електромагнітною
теорією світла
1 У випадку електромагнітної хвилі електрон мав би накопичувати
енергію поступово (хвилини або години).
2 В рамках електромагнітної теорії неможливо пояснити існування
червоної границі фотоефекту
3 Хвильова теорія неспроможна пояснити незалежність енергії
фотоелектронів від інтенсивності світлового потоку та її
пропорційність частоті світла.
Пояснення законів фотоефекту було дано Ейнштейном (1905) на
основі припущення, що світло випромінюється, поширюється та
поглинається у вигляді неподільних порцій енергії – квантів світла.
Рівняння Ейнштейна для фотоефекту – це закон збереження
енергії в застосуванні до фотоефекту
h A
mv
2
max
2
Slide 8
Вакуумний фотоелемент
Найпростішим фотоелементом
із зовнішнім фотоефектом є
вакуумний фотоелемент.
Він
являє собою відкачаний
скляний
балон,
внутрішня
поверхня якого (за винятком
віконця для доступу
випромінювання)
вкрита
фоточутливим
шаром.
Ця
поверхня є фотокатодом. У центрі
балона міститься кільце або сітка
- анод
Slide 9
Фоторезисторы
Основою
принципу
дії
напівпровідникових
фотоелементів
або фотоопорів (фоторезисторів) є
внутрішній фотоефект. Фоторезистори
мають набагато більшу інтегральну
чутливість, ніж вакуумні. Недоліком
фотоопорів є їх помітна інерційність. З
цієї причини вони
для реєстрації
непридатні швидкоплинних світлових
потоків.
Slide 10
Вентильні фотоелементи
Фотоелементи
з
вентильним
фотоефектом подібно до елементів із
зовнішнім
фотоефектом мають строгу
пропорційність фотостуму інтенсивності
випромінювання. Їх перевагою є порівняно
більша інтегральна чутливість і не
потребують зовнішнього джерела струму.
Кремнієві
та
інші
вентильні
фотоелементи застосовують для створення
сонячних батарей,
які безпосередньо
перетворюють
світлову
енергію
в
електричну.
Slide 11
Сонячні батареї
Такі батареї вже
протягом багатьох років
працюють на космічних
супутниках та
кораблях. Їх ККД складає
приблизно 10% та, як
показують
теоретичні
розрахунки його можна
збільшити до
22%, що
відкриває
великі
перспективи
їх
використання
у
якості
джерел для побутових та
виробничих потреб.
Slide 12
Сонцемобіль, сонячна станція
Slide 13
ЕФЕКТ КОМПТОНА
Концепція фотонів, запропонована А. Эйнштейном у
1905 р. для пояснення фотоефекта, одержала
експериментальне
підтвердження
в
дослідах
американського фізика А. Комптона (1922 р.). Комптон
досліджував пружне розсіювання короткохвильового
рентгенівського випромінювання на вільних (або слабко
пов'язаних з атомами) електронах речовини. Відкритий
ним ефект збільшення довжини хвилі розсіяного
випромінювання,
названий
згодом
ефектом
Комптона, не вкладається в рамки хвильової теорії,
відповідно до якої довжина хвилі випромінювання не
має змінюватися при розсіюванні.
Slide 14
2
2
2K sin
K
h
2 , 43 10
12
м
m0c
- коптонівська довжина хвилі.
Slide 15
Спектри розсіяного випромінювання при ефекті
Комптона
2
2
2K sin
Виведення формули Комптона було здійснено на основі законів
збереження імпульсу та енергії Комптоном та Дебаєм. У 1923 р.
Slide 16
Американський
фізик,
професор
університету Джорджа Вашингтона в
Сент-Луїсі, у 1923-1945 - Чиказького
університету. У 1945-1953 - ректор
університету
Джорджа
Вашингтона.
Роботи Комптона присвячені атомній
фізиці, фізиці космічних променів.
Під час Другої світової війни Комптон
керував металургійною лабораторією
при Чиказькому університеті, що брав
участь у роботі зі створення «уранового
казана», працював над створенням
американської атомної зброї.
КОМПТОН, АРТУР ХОЛЛІ Основні праці – Рентгенівські промені
та електрони (1926); Рентгенівські
1892–1962
промені: теорія і експеримент (1935).
Лауреат Нобелівської
премії з фізики у 1927р.
Slide 17
Корпускулярно – хвильовий
дуалізм
Корпускулярно-хвильовий
дуалізм
–
положення, на якому ґрунтується квантова механіка.
Воно стверджує, що в поводженні мікрооб'єктів
проявляються як корпускулярні, так і хвильові риси.
В уявленнях класичної (неквантової) фізики, рух
частинок і поширення хвиль істотно різняться.
Дуалізм – це поняття містить у собі
перетинання двох фундаментальних класів речей
або принципів, які взаємовпливають, але не
змінюють свою структуру.
Slide 18
Корпускулярно – хвильовий
дуалізм світла
Світло
одночасно
має
властивості
неперервності
та
дискретності.
Властивість
неперервності, характерна для електромагнітного поля
світлової хвилі, не виключають властивості дискретності,
характерної для світлових квантів – фотонів. Але прояв
цих закономірностей пов’язаний з довжиною хвилі. Із
зменшенням довжини хвилі (збільшенням частоти) все
більш виразно проявляються квантові властивості світла.
Взаємозв’язок між подвійними корпускулярнохвильовими властивостями світла знаходить просте
тлумачення при статистичному підході до розгляду
питання про розповсюдження світла. Квадрат амплітуди
світлової хвилі в будь-якій точці простору є мірою
вірогідності попадання фотонів в цю точку.
Slide 19
Корпускулярні і хвильові властивості світла не виключають, а
навпаки, взаємно доповнюють одне одного. Це дві сторони, дві
тісно
пов’язані
закономірності
розповсюдження
електромагнітного випромінювання і його взаємодії з речовиною.
корпускулярні властивості обумовлені тим, що енергія імпульс і
маса випромінювання локалізовані в дискретних „частинках” –
фотонах, а хвильові – статистичними закономірностями
розподілу фотонів у просторі, тобто закономірностями, які
визначають вірогідності знаходження фотонів в різних точках
простору. Хвильові властивості має не тільки сукупність великої
кількості фотонів, але й окремі фотони. Хвильові властивості
фотону проявляються у тому, що для нього не можна вказати
точно, в яку саме точку екрану він попаде після проходження
через оптичну систему. Можна говорити тільки про вірогідність
попадання фотону в різні точки екрану.
Фотоефект - це група явищ,
пов'язаних
із
«звільненням"
електронів твердого тіла від
зв'язків усередині атома під дією
електромагнітного
випромінювання.
електричний
ефект
Електрони, що вилітають із речовини при зовнішньому
фотоефекті, називаються "фотоелектронами ", а
електричний струм, який утворюється ними при
упорядкованому русі у зовнішньому електричному полі,
називається "фотострумом ".
Slide 2
Види фотоефекту
1)зовнішній
фотоефект
(фотоелектронна
емісія) - випромінювання електронів з поверхні твердого тела під
дією світла, гамма - випромінювання і т. і. (відкритий Г. Герцем у
1887, пояснений Ейнштейном);
2) внутрішній фотоефект – перерозподіл електронів за
енергетичними станами в твердих та рідких напівпровідниках та
діелектриках, який спричиняється світлом. Він проявляється у
зміні концентрації носіїв струму у середовищі і призводить до
виникнення фотопровідності;
3) вентильний фотоефект - збудження світлом ЕРС на межі
поділу метал - напівпровідник або між різнорідними
напівпровідниками. При вентильному фотоефекті фотоелектрони
виходять через поверхню поділу з одного тіла в інше.
Slide 3
Залежність сили фотоструму
від прикладеної напруги. Крива
2 відповідає більшій
інтенсивності світлового потоку.
Схема експериментальної
установки для вивчення
фотоефекту
та
– струми
I н1
I Uз
насичення,
н 2 – запірний
потенціал
Slide 4
Закони Столєтова для
фотоефекту
1 Кількість електронів (фотоелектронів), що вибиваються світлом за
одну секунду з поверхні металу(тобто струм насичення), прямо
пропорційна інтенсивності світла.
2 Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно
збільшується із збільшенням частоти світла і не залежить від його
інтенсивності.
3 Для кожної речовини існує червона границя фотоефекту min ,
тобто мінімальна частота (максимальна довжина хвилі), при якій
фотоефект ще можливий.
4 Фотоефект є практично неінерційним, фотострум виникає миттєво
після початку освітлення катоду, за умови, що частота світла
m in
Slide 5
Російський вчений, професор фізики у
Московському
університеті.
Закінчив
Московський Університет, стажувався в
лабораторії Кірхгофа.
Окрім
двох
дисертацій,
найбільш
важливими є наступні роботи Столєтова
"О Кольраушевом измерении ртутной
единицы
сопротивления";
"Sur
une
methode pour determineh le rapport des
unites
electromagnetiques
et
electrostatiques" (le "v" de Maxwell); "Об
электричестве
сопротивления";
"О
критическом состоянии тел" (4 ст.);
"Актиноэлектрические
исследования";
Столєтов Олександр "Эфир и электричество" (речь); "Очерк
Григорович
развития наших сведений о газах";
"Введение в акустику и оптику" (курс).
1839 - 1896
Slide 6
Червона границя фотоефекту визначається частотою,
при якій електрон може залишити метал, але його
кінетична енергія буде дорівнювати нулю, тобто
min
A
max
i
h
hc
A
Енергія і імпульс фотона
Квант світла Ейнштейн назвав фотоном.
Енергія фотона
Імпульс фотона
h h
pф
c
c
h
c
h
Slide 7
Закони фотоефекту не узгоджуються з електромагнітною
теорією світла
1 У випадку електромагнітної хвилі електрон мав би накопичувати
енергію поступово (хвилини або години).
2 В рамках електромагнітної теорії неможливо пояснити існування
червоної границі фотоефекту
3 Хвильова теорія неспроможна пояснити незалежність енергії
фотоелектронів від інтенсивності світлового потоку та її
пропорційність частоті світла.
Пояснення законів фотоефекту було дано Ейнштейном (1905) на
основі припущення, що світло випромінюється, поширюється та
поглинається у вигляді неподільних порцій енергії – квантів світла.
Рівняння Ейнштейна для фотоефекту – це закон збереження
енергії в застосуванні до фотоефекту
h A
mv
2
max
2
Slide 8
Вакуумний фотоелемент
Найпростішим фотоелементом
із зовнішнім фотоефектом є
вакуумний фотоелемент.
Він
являє собою відкачаний
скляний
балон,
внутрішня
поверхня якого (за винятком
віконця для доступу
випромінювання)
вкрита
фоточутливим
шаром.
Ця
поверхня є фотокатодом. У центрі
балона міститься кільце або сітка
- анод
Slide 9
Фоторезисторы
Основою
принципу
дії
напівпровідникових
фотоелементів
або фотоопорів (фоторезисторів) є
внутрішній фотоефект. Фоторезистори
мають набагато більшу інтегральну
чутливість, ніж вакуумні. Недоліком
фотоопорів є їх помітна інерційність. З
цієї причини вони
для реєстрації
непридатні швидкоплинних світлових
потоків.
Slide 10
Вентильні фотоелементи
Фотоелементи
з
вентильним
фотоефектом подібно до елементів із
зовнішнім
фотоефектом мають строгу
пропорційність фотостуму інтенсивності
випромінювання. Їх перевагою є порівняно
більша інтегральна чутливість і не
потребують зовнішнього джерела струму.
Кремнієві
та
інші
вентильні
фотоелементи застосовують для створення
сонячних батарей,
які безпосередньо
перетворюють
світлову
енергію
в
електричну.
Slide 11
Сонячні батареї
Такі батареї вже
протягом багатьох років
працюють на космічних
супутниках та
кораблях. Їх ККД складає
приблизно 10% та, як
показують
теоретичні
розрахунки його можна
збільшити до
22%, що
відкриває
великі
перспективи
їх
використання
у
якості
джерел для побутових та
виробничих потреб.
Slide 12
Сонцемобіль, сонячна станція
Slide 13
ЕФЕКТ КОМПТОНА
Концепція фотонів, запропонована А. Эйнштейном у
1905 р. для пояснення фотоефекта, одержала
експериментальне
підтвердження
в
дослідах
американського фізика А. Комптона (1922 р.). Комптон
досліджував пружне розсіювання короткохвильового
рентгенівського випромінювання на вільних (або слабко
пов'язаних з атомами) електронах речовини. Відкритий
ним ефект збільшення довжини хвилі розсіяного
випромінювання,
названий
згодом
ефектом
Комптона, не вкладається в рамки хвильової теорії,
відповідно до якої довжина хвилі випромінювання не
має змінюватися при розсіюванні.
Slide 14
2
2
2K sin
K
h
2 , 43 10
12
м
m0c
- коптонівська довжина хвилі.
Slide 15
Спектри розсіяного випромінювання при ефекті
Комптона
2
2
2K sin
Виведення формули Комптона було здійснено на основі законів
збереження імпульсу та енергії Комптоном та Дебаєм. У 1923 р.
Slide 16
Американський
фізик,
професор
університету Джорджа Вашингтона в
Сент-Луїсі, у 1923-1945 - Чиказького
університету. У 1945-1953 - ректор
університету
Джорджа
Вашингтона.
Роботи Комптона присвячені атомній
фізиці, фізиці космічних променів.
Під час Другої світової війни Комптон
керував металургійною лабораторією
при Чиказькому університеті, що брав
участь у роботі зі створення «уранового
казана», працював над створенням
американської атомної зброї.
КОМПТОН, АРТУР ХОЛЛІ Основні праці – Рентгенівські промені
та електрони (1926); Рентгенівські
1892–1962
промені: теорія і експеримент (1935).
Лауреат Нобелівської
премії з фізики у 1927р.
Slide 17
Корпускулярно – хвильовий
дуалізм
Корпускулярно-хвильовий
дуалізм
–
положення, на якому ґрунтується квантова механіка.
Воно стверджує, що в поводженні мікрооб'єктів
проявляються як корпускулярні, так і хвильові риси.
В уявленнях класичної (неквантової) фізики, рух
частинок і поширення хвиль істотно різняться.
Дуалізм – це поняття містить у собі
перетинання двох фундаментальних класів речей
або принципів, які взаємовпливають, але не
змінюють свою структуру.
Slide 18
Корпускулярно – хвильовий
дуалізм світла
Світло
одночасно
має
властивості
неперервності
та
дискретності.
Властивість
неперервності, характерна для електромагнітного поля
світлової хвилі, не виключають властивості дискретності,
характерної для світлових квантів – фотонів. Але прояв
цих закономірностей пов’язаний з довжиною хвилі. Із
зменшенням довжини хвилі (збільшенням частоти) все
більш виразно проявляються квантові властивості світла.
Взаємозв’язок між подвійними корпускулярнохвильовими властивостями світла знаходить просте
тлумачення при статистичному підході до розгляду
питання про розповсюдження світла. Квадрат амплітуди
світлової хвилі в будь-якій точці простору є мірою
вірогідності попадання фотонів в цю точку.
Slide 19
Корпускулярні і хвильові властивості світла не виключають, а
навпаки, взаємно доповнюють одне одного. Це дві сторони, дві
тісно
пов’язані
закономірності
розповсюдження
електромагнітного випромінювання і його взаємодії з речовиною.
корпускулярні властивості обумовлені тим, що енергія імпульс і
маса випромінювання локалізовані в дискретних „частинках” –
фотонах, а хвильові – статистичними закономірностями
розподілу фотонів у просторі, тобто закономірностями, які
визначають вірогідності знаходження фотонів в різних точках
простору. Хвильові властивості має не тільки сукупність великої
кількості фотонів, але й окремі фотони. Хвильові властивості
фотону проявляються у тому, що для нього не можна вказати
точно, в яку саме точку екрану він попаде після проходження
через оптичну систему. Можна говорити тільки про вірогідність
попадання фотону в різні точки екрану.