Фотоэлектрический эффект

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

 «Национальный исследовательский ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по теме: «Фотоэлектрический эффект»

Выполнила: студент гр. 8Г10 Устюжина М.Б.

                                                      

Проверил:  Краснов Д.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                Томск 2012

Определение фотоэффекта

 

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом и заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний фотоэффект), либо в изменении электропроводимости вещества или возникновении электродвижущей силы (внутренний фотоэффект).

В фотоэффекте  проявляются корпускулярные свойства света. В 1888 Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластинки, последняя приобретает положительный заряд. В этом же году Столетов создал первый фотоэлемент и применил его на практике, потом он установил прямую пропорциональность силы фототока интенсивности падающего света. В 1899 Дж. Дж. Томсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Принципиальная  схема для исследования фотоэффекта:

  Два электрода   (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

Виды фотоэффекта

 

Выделяют  три основных вида фотоэффекта: внутренний, внешний и вентильный.

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах. В металле его можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна   

Существует  три закона внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е_е катода).
2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν, а именно линейно возрастает с увеличением частоты.
3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Внутренний  фотоэффект наблюдается при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости, В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается также в том случае, если энергия электрона достаточна для переброса электронов в зону проводимости с донорных примесных уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уровни. Так в полупроводниках и диэлектриках возникает фотоэлектропроводимость.

Интересная  разновидность внутреннего фотоэффекта наблюдается в контакте электронного и дырочного полупроводников. В этом случае под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем р-n-перехода; электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки в полупроводник типа р, При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, т. е. возникает фотоэлектродвижущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта называют вентильным фотоэффектом.

Также действуют:

Фотовольтаический эффект — возникновение электродвижущей  силы под действием электромагнитного  излучения.

Фотоядерный эффект(фотоядерные рекции) — ядерные реакции, происходящие при поглощении гамма-квантов ядрами атомов.

 

Применение фотоэффекта

 

На явлении  фотоэффекта основано действие фотоэлектронных  приборов, получивших разнообразное  применение в различных областях науки и техники. В настоящее  время практически невозможно указать  отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы – приемники  излучения, работающие на основе фотоэффекта  и преобразующие энергию излучения в электрическую.

• Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является

вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный болон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа  излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом.

 

 

Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, использующий явление  внешнего фотоэффекта

 

 

 

 

 

• Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые

полупроводниковыми фотоэлементами обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют «красную границу» фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра (3 ÷ 4 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений – их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

• Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом. К числу вентильных

фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-серебряные и т.д. Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую.

Рассмотренные виды фотоэффекта используются также  в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в  различных системах связи и т.д.

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1. Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособие для вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1990
2. http://ru.wikipedia.org
3. Тюрин Ю.И., Чернов И.П., Крючков Ю.Ю. Физика. Ч.3. Оптика. Квантовая физика: Учебное пособие для технических университетов. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. – 740с.