Valosähköinen ilmiö

Valosähköinen efekti eli valosähköefekti on valon tai minkä tahansa muun sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutusilmiö aineen kanssa, jossa fotonienergia siirtyy aineen elektroneihin . Kondensoiduissa (kiinteissä ja nestemäisissä) aineissa erotetaan ulkoinen (fotonien absorptioon liittyy elektronien emissio aineen ulkopuolella) ja sisäinen (elektronit, jotka jäävät aineeseen, muuttavat energiatilaansa siinä) valosähköinen vaikutus. Kaasujen valosähköinen vaikutus koostuu atomien tai molekyylien ionisaatiosta säteilyn vaikutuksesta [1] .

Ulkoinen valosähköinen tehoste

Ulkoinen valosähköinen efekti ( fotoelektroninen emissio ) on aineen elektronien emissio sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta. Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen aikana aineesta karkaavia elektroneja kutsutaan fotoelektroneiksi ja niiden muodostamaa sähkövirtaa järjestetyn liikkeen aikana ulkoisessa sähkökentässä kutsutaan valovirraksi .

Valokatodi  - tyhjiöelektroniikkalaitteen elektrodi, joka on suoraan alttiina sähkömagneettiselle säteilylle ja lähettää elektroneja tämän säteilyn vaikutuksesta.

Kyllästysvalovirta  on ulostyöntyneiden elektronien maksimivirta, valokatodin ja anodin välinen virta, jolla kaikki ulostyönnetyt elektronit kerätään anodille.

Valokatodin spektriominaisuus  on spektrin herkkyyden riippuvuus sähkömagneettisen säteilyn taajuudesta tai aallonpituudesta.

Löytöhistoria

Ulkoisen valosähköisen ilmiön löysi vuonna 1887 Heinrich Hertz [2] [3] [4] . Työskennellessään avoimen resonaattorin kanssa hän huomasi, että jos säteilet ultraviolettivaloa sinkkikipinäväliin , kipinän kulku helpottuu huomattavasti.

Vuosina 1888-1890 valosähköistä vaikutusta tutki systemaattisesti venäläinen fyysikko Aleksanteri Stoletov [5] , joka julkaisi kuusi artikkelia [6] [7] [8] [9] [10] [11] . Hän teki useita tärkeitä löytöjä tällä alalla, mukaan lukien ensimmäinen ulkoisen valosähköisen vaikutuksen laki [12] .

Stoletov tuli myös siihen johtopäätökseen, että "Auringon spektristä puuttuvat suurimman taittumisen omaavat säteet purkavat, jos ei yksinomaan, niin valtavasti ylivoimaisesti muihin säteisiin nähden", eli hän tuli lähelle sitä johtopäätöstä, että punainen valosähköisen efektin raja on olemassa . Vuonna 1891 Elster ja Geitel tulivat alkalimetalleja tutkiessaan siihen johtopäätökseen, että mitä korkeampi metallin sähköpositiivisuus on, sitä alhaisemmalla rajataajuudella se muuttuu valoherkäksi [13] .

Thomson vuonna 1898 totesi kokeellisesti, että metallista ulkoisen valosähköisen vaikutuksen aikana nouseva sähkövaraus on hänen aiemmin löytämiensä hiukkasten virtaa (myöhemmin kutsuttu elektroneiksi). Siksi valovirran lisääntyminen valaistuksen lisääntyessä tulisi ymmärtää ulostyöntyneiden elektronien lukumäärän lisääntymisenä valaistuksen lisääntyessä.

Philip Lenardin vuosina 1900-1902 tekemät tutkimukset valosähköisestä vaikutuksesta osoittivat, että toisin kuin klassinen sähködynamiikka , emittoidun elektronin energia on aina tiukasti suhteessa tulevan säteilyn taajuuteen eikä käytännössä riipu säteilyn intensiteetistä .

Albert Einstein (josta hän sai Nobel-palkinnon vuonna 1921 ruotsalaisen fyysikon Carl Wilhelm Oseenin nimityksen ansiosta ) selitti valosähköisen vaikutuksen vuonna 1905 Max Planckin hypoteesin valon kvanttiluonteesta. Einsteinin työ sisälsi tärkeän uuden hypoteesin - jos Planck vuonna 1900 ehdotti, että valo säteilee vain kvantisoiduissa osissa, niin Einstein uskoi jo, että valoa on olemassa vain kvantisoitujen osien ( fotonien ) muodossa, joiden energia on h ν kussakin, missä h  on Planck . s vakio .

Vuosina 1906-1915 fotosähköistä efektiä käsitteli Robert Milliken . Hän pystyi määrittämään lukitusjännitteen tarkan riippuvuuden taajuudesta (joka itse asiassa osoittautui lineaariseksi) ja pystyi laskemaan tästä Planckin vakion. "Vietin kymmenen vuotta elämästäni varmistaakseni tämän Einsteinin yhtälön vuodelta 1905", Millikan kirjoitti, "ja vastoin kaikkia odotuksiani jouduin vuonna 1915 varauksetta myöntämään, että se vahvistettiin kokeellisesti järjettömyydestään huolimatta, koska vaikutti siltä, ​​että se on ristiriidassa kaiken sen kanssa, mitä tiedämme valon häiriöistä." Vuonna 1923 Millikan sai Nobelin fysiikan palkinnon "työstään alkeissähkövarauksen ja valosähköisen vaikutuksen parissa".

Valosähköisen vaikutuksen tutkimus oli yksi varhaisimmista kvanttimekaanisista tutkimuksista.

Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen lait

Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen lait :

Valosähköisen vaikutuksen 1. laki (Stoletovin laki) : Kyllästysvalovirran voimakkuus on suoraan verrannollinen valosäteilyn intensiteettiin [14] . Kun valokatodille tulevan sähkömagneettisen säteilyn spektrikoostumus on vakio , kyllästysvalovirta on verrannollinen katodin energiavalaistukseen (toisin sanoen katodista syrjäytyneiden fotoelektronien määrä aikayksikköä kohti on suoraan verrannollinen säteilyn intensiteettiin ).

Valosähköisen vaikutuksen 2. laki : Valon lyömien elektronien suurin kineettinen energia kasvaa valon taajuuden myötä eikä riipu sen intensiteetistä [14] .

Valosähköisen vaikutuksen 3. laki : Jokaiselle aineelle tietyssä pinnan tilassa on valon rajataajuus, jonka alapuolella valosähköistä vaikutusta ei havaita. Tätä taajuutta ja sitä vastaavaa aallonpituutta kutsutaan valosähköisen efektin punaiseksi rajaksi [14] .

Ulkoinen valosähköefekti on käytännössä inertiaton . Valovirta syntyy välittömästi, kun kehon pinta valaistaan, mikäli valosähköilmiö voi olla olemassa [14] .

Valosähköisellä vaikutuksella osa tulevasta sähkömagneettisesta säteilystä heijastuu metallipinnalta ja osa tunkeutuu metallin, puolijohteen tai dielektrisen materiaalin pintakerrokseen ja absorboituu sinne. Absorboimalla fotonin elektroni saa siitä energiaa. Vuoden 1905 teorian mukaan energian säilymisen laista, kun valo on esitetty hiukkasten ( fotonien ) muodossa, Einsteinin kaava valosähköiselle efektille seuraa:

missä  - ns. työfunktio (minimienergia, joka tarvitaan elektronin poistamiseen aineesta). A:ta ei käytetä merkitsemään työfunktiota nykyaikaisessa tieteellisessä kirjallisuudessa ; on emittoidun elektronin  suurin kineettinen energia ;  on energian kanssa tulevan fotonin taajuus  ; h  on Planckin vakio .

Tästä kaavasta seuraa valosähköisen vaikutuksen punaisen rajan olemassaolo, kun T = 0 K, eli alimman taajuuden ( ) olemassaolo, jonka alapuolella fotonienergia ei enää riitä "poistamaan" elektronia metalli. Ilmiö ilmenee useimmissa aineissa vain ultraviolettisäteilyssä, mutta joissakin metalleissa (litium, kalium, natrium) riittää myös näkyvä valo.

Elektrodeihin kohdistettu käänteinen napaisuus vähentää valosähkövirtaa, koska elektronien on tehtävä ylimääräistä työtä voittaakseen sähköstaattiset voimat. Vähimmäisjännitettä, joka pysäyttää valovirran kokonaan, kutsutaan hidastus- tai estojännitteeksi . Elektronien suurin kineettinen energia ilmaistaan ​​hidastusjännitteellä:

Valosähköinen efekti jaetaan pintaan , kun valoelektroni lentää ulos atomien pintakerroksesta, ja volumetriseen , kun valoelektroni lentää ulos kiinteän kappaleen tilavuudesta. Volumetrista valosähköistä vaikutusta tarkastellaan kolmessa vaiheessa:

ensimmäisessä vaiheessa atomin elektroni viritetään virittyneeseen tilaan, toisessa vaiheessa elektroni saavuttaa vetävän sähkökentän vaikutuksesta pinnan, kolmannessa vaiheessa, jos elektronin energia riittää voittamaan potentiaaliesteen pinnalla, sitten se lentää ulos kiinteästä aineesta. Yleisesti ottaen voidaan kirjoittaa:

missä  on elektronin sitoutumisenergia suhteessa Fermi-tasoon,  on elektronin energiahäviö matkalla pinnalle, joka johtuu pääasiassa sironnasta kidehilassa,  on elektronin kineettinen energia, joka emittoituu tyhjiöön.

Fowlerin teoria

Fowlerin teoria [15] [16] kuvaa hyvin metallien ulkoisen valosähköisen vaikutuksen pääsäännöt . Sen mukaan fotonin absorption jälkeen metalliin sen energia siirtyy johtavuuselektroneille, minkä seurauksena metallissa oleva elektronikaasu koostuu normaalin Fermi-Dirac-jakauman omaavien kaasujen seoksesta ja virittyneestä ( siirtynyt ) energianjako.

Valovirran tiheys määritetään Fowlerin kaavalla:

jossa , ,  ovat joitain vakiokertoimia, jotka riippuvat säteilytetyn metallin ominaisuuksista. Kaava pätee fotoemission viritysenergioissa, jotka eivät ylitä metallin työfunktiota enempää kuin muutamalla elektronivoltilla. Fowlerin teoria antaa tuloksia, jotka ovat yhtäpitäviä kokeen kanssa vain silloin, kun valo osuu normaalisti pintaan.


Kvanttilähtö

Tärkeä valosähköisen vaikutuksen kvantitatiivinen ominaisuus on kvanttituotto Y, emittoituneiden elektronien lukumäärä kappaleen pintaan osuvaa fotonia kohden. Y-arvon määräävät aineen ominaisuudet, sen pinnan tila ja fotonienergia.

Metallien valosähköisen vaikutuksen kvanttisaanto näkyvällä ja lähellä UV-alueella on Y < 0,001 elektronia/fotoni. Tämä johtuu ennen kaikkea fotoelektronien pakenemisen matalasta syvyydestä, joka on paljon pienempi kuin valon absorption syvyys metallissa. Suurin osa fotoelektroneista haihduttaa energiansa ennen kuin ne lähestyvät pintaa ja menettävät mahdollisuuden paeta tyhjiöön. Fotonien energioissa, jotka ovat lähellä valosähköisen tehon kynnystä, useimmat valoelektroneista virittyvät alipainetason alapuolelle eivätkä vaikuta fotoemissiovirtaan. Lisäksi heijastuskerroin näkyvällä ja lähellä UV-alueella on suuri ja vain pieni osa säteilystä absorboituu metalliin. Nämä rajoitukset poistuvat osittain spektrin kauko-UV-alueella, jossa Y saavuttaa arvon 0,01 elektroni/fotoni fotonien energioilla E > 10 eV.

Vektorivalotehoste

Vektorivalosähköinen efekti on valovirran riippuvuus tulevan valon polarisaatiosuunnasta, mikä on seurausta valon aaltoominaisuuksien ilmenemisestä. Valovirta kasvaa erityisen voimakkaasti, kun sähkökentän voimakkuusvektori on tulotasossa (herkkyys on suuruusluokkaa paljon suurempi ja spektriominaisuudella on selektiivinen maksimi) verrattuna siihen, että se on kohtisuorassa tulotasoon nähden (valovirta kasvaa monotonisesti lisääntyvästi). Vektorivalosähköinen vaikutus selittyy metallin pintakerroksessa sijaitsevien elektronien valovirralla, jossa kaksoiskerroksen sähkökenttä vaikuttaa muodostaen potentiaaliesteen [17] [18] [19] .

Sisäinen valosähköinen tehoste

Sisäinen valosähköilmiö on ilmiö, jossa sähkönjohtavuus kasvaa ja resistanssi pienenee säteilyn vaikutuksesta [20] . Se selittyy elektronien uudelleenjakaumalla energiatiloihin kiinteissä ja nestemäisissä puolijohteissa ja eristeissä , joka tapahtuu säteilyn vaikutuksesta, ilmenee varauksenkuljettajien pitoisuuden muutoksena väliaineessa ja johtaa valonjohtavuuden tai venttiilin ilmaantumiseen. valosähköinen efekti [21] .

Valonjohtavuus on aineen sähkönjohtavuuden lisääntymistä säteilyn vaikutuksesta.

Löytöhistoria

Vuonna 1839 Alexander Becquerel havaitsi [22] aurinkosähkövaikutuksen elektrolyytissä.

Vuonna 1873 Willoughby Smith havaitsi, että seleeni on valoa johtavaa [23] [24] .

Laji

Valve valosähköinen tehoste

Portin valosähköinen efekti tai valosähköinen vaikutus sulkukerroksessa  on ilmiö, jossa valoelektronit poistuvat kehosta ja kulkevat rajapinnan kautta toiseen kiinteään aineeseen ( puolijohteeseen ) tai nesteeseen ( elektrolyytti ).

Aurinkosähköefekti

Aurinkosähköefekti  - sähkömotorisen voiman syntyminen sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksesta [25] . Sitä käytetään tulevan valon voimakkuuden mittaamiseen (esimerkiksi valodiodeissa ) tai sähkön tuottamiseen aurinkopaneeleissa .

Herkistynyt valosähköinen tehoste

Herkistetty valosähköinen efekti on valosähköinen vaikutus, johon liittyy herkistymisilmiö , toisin sanoen valoherkkyyden suuruuden ja spektrin muutos orgaanisissa ja epäorgaanisissa valonjohtimissa, riippuen molekyyliyhdisteiden rakenteesta [26] .

Fotopietsosähköinen efekti

Valopietsosähköinen vaikutus on ilmiö, jossa valosähkömotorinen voima ilmenee puolijohteessa puolijohteen ulkoisen epätasaisen puristuksen olosuhteissa [27] .

Fotomagneettinen vaikutus

Valomagneettinen vaikutus on sähkömotorisen voiman ilmaantuminen valaistuun homogeeniseen puolijohteeseen magneettikentässä [27] .

Ydinvalosähköinen vaikutus

Kun gammasäde absorboituu , ydin saa ylimääräistä energiaa muuttamatta sen nukleonikoostumusta , ja ydin, jossa on ylienergiaa, on yhdisteydin . Kuten muutkin ydinreaktiot , gammasäteen absorptio ytimeen on mahdollista vain, jos tarvittavat energia- ja spin - suhteet täyttyvät. Jos ytimeen siirtyvä energia ylittää ytimessä olevan nukleonin sitoutumisenergian , muodostuneen yhdisteytimen hajoaminen tapahtuu useimmiten nukleonien, pääasiassa neutronien , emission yhteydessä . Tällainen hajoaminen johtaa ydinreaktioihin ja , joita kutsutaan fotoytimeiksi , ja nukleonien (neutronien ja protonien ) emission ilmiö näissä reaktioissa on ydinvoiman valosähköinen vaikutus [28] .

Monifotoninen valosähköinen tehoste

Voimakkaassa sähkömagneettisessa kentässä useat fotonit voivat olla vuorovaikutuksessa atomin elektronikuoren kanssa valosähköisen vaikutuksen elementaarisessa toiminnassa . Tässä tapauksessa atomin ionisaatio on mahdollista fotonienergian säteilyn avulla . Inerttien kaasujen kuuden ja seitsemän fotonin ionisaatio on rekisteröity [29] .

Nykytutkimus

Kuten Saksan kansallisen metrologisen instituutin Physikalisch-Technische Bundesanstaltin kokeet , joiden tulokset julkaistiin 24. huhtikuuta 2009 Physical Review Lettersissä [30] , osoittavat pehmeän röntgensäteen aallonpituusalueella useiden petawattien tehotiheydellä . (10 15 W) neliösenttimetriä kohden yleisesti hyväksytty teoreettinen malli valosähköisestä vaikutuksesta voi osoittautua vääräksi.

Eri materiaalien vertailevat kvantitatiiviset tutkimukset ovat osoittaneet, että säteilyn ja aineen välisen vuorovaikutuksen syvyys riippuu olennaisesti tämän aineen atomien rakenteesta ja sisäisten elektronikuorten välisestä korrelaatiosta. Kokeissa käytetyn ksenonin tapauksessa fotonipaketin isku lyhyessä pulssissa johtaa ilmeisesti useiden elektronien samanaikaiseen emissioon sisäkuorista [31] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Yavorsky B. M. , Detlaf A. A. , Lebedev A. K. Fysiikan käsikirja insinööreille ja yliopisto-opiskelijoille. - M., Onyx, 2007. - Levikki 5100 kappaletta. - ISBN 978-5-488-01248-6 . - Kanssa. 725
  2. ↑ http://www.britannica.com/science/photoelectric-effect Arkistoitu 10. tammikuuta 2016 Wayback Machinessa "Saksalainen fyysikko Heinrich Rudolf Hertz löysi valosähköisen efektin vuonna 1887."
  3. ↑ H. Hertz (1887), Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung Arkistoitu 24. tammikuuta 2016 Wayback Machinessa (An effect of ultraviolet light on electric purkaus) / Ann. Phys. , 267: 983-1000. doi: 10.1002/andp.18872670827  (saksa)
  4. ↑ Stig Lundqvist, Physics, 1901-1921 Arkistoitu 4. helmikuuta 2016 Wayback Machinessa // World Scientific, 1998, ISBN 9789810234010 , s.121 
  5. ↑ TSB, PHOTOEFECT
  6. ↑ Stoletow, A. Sur une sorte de courants electriques provoques par les rayons ultraviolets  (ranska)  // Comptes Rendus :lehti. - 1888. - Voi. VI . - s. 1149 . (Uudelleenpainotettu Stoletowissa, MA Eräänlaisesta ultraviolettisäteiden tuottamasta sähkövirrasta  (englanniksi)  // Philosophical Magazine Series 5: Journal. - 1888. - Vol. 26 , no. 160. - P. 317. - doi : 10.1080/14786448808628270 ; tiivistelmä julkaisussa Beibl. Ann. d. Phys. 12, 605, 1888).
  7. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-electriques au travers deTair  (ranska)  // Comptes Rendus :lehti. - 1888. - Voi. VI . - s. 1593 . (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  8. ↑ Stoletow, A. Suite des recherches actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1888. - T. VII . - S. 91 . (Abstract in Beibl. Ann. d. Phys. 12, 723, 1888).
  9. ↑ Stoletow, A. Sur les phénomènes actino-électriques  (neopr.)  // Comptes Rendus. - 1889. - T. CVIII . - S. 1241 .
  10. ↑ Stoletov, A. Aktinoelektrinen tutkimus  (venäjä)  // Venäjän fysiikan ja kemian seuran lehti. - 1889. - T. 21 . - S. 159 .
  11. ↑ Stoletow, A. Sur les courants actino-électriques dans l'air raréfié  (ranska)  // Journal de Physique  : aikakauslehti. - 1890. - Voi. 9 . - s. 468 . - doi : 10.1051/jphystap:018900090046800 .
  12. ↑ TSB, STOLETOV ALEKSANDER GRIGORJEVICH
  13. ↑ Dukov V. M.  Historiallisia katsauksia lukion fysiikan kurssilla. M.: Prosveshchenie 1983. 160 s.
  14. ↑ 1 2 3 4 Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fysiikan perusteet. Osa 2. - M., Nauka , 1974. - Levikki 169 000 kappaletta. - Kanssa. 197
  15. ↑ Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V. Emission elektroniikka . - M . : Nauka, 1966. - S. 564.  (pääsemätön linkki)
  16. ↑ Fowler, 1931 , s. 45-56.
  17. ↑ Voronchev T. A., Sobolev V. D. Sähkötyhjiötekniikan fyysiset perusteet. - M .: Korkeakoulu, 1967. - s. 217-220
  18. ↑ Lukirsky, 1933 .
  19. ↑ Lukjanov, 1948 .
  20. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fysiikan perusteet. Osa 2. - M .: Nauka , 1974. - Levikki 169 000 kpl. - Kanssa. 336
  21. ↑ Kireev P.S. Puolijohteiden fysiikka. - M .: Higher School , 1975. - Levikki 30 000 kappaletta. - Kanssa. 537-546
  22. ↑ A.E. Becquerel (1839). "Mémoire sur les effets electriques produits sous l'influence des rayons solaires". Comptes Rendus 9: 561-567
  23. ↑ Smith, W. (1873). "Valon vaikutus seleeniin sähkövirran kulkiessa". Nature 7 (173): 303. Bibcode:1873Natur...7R.303.. doi:10.1038/007303e0
  24. ↑ TSB, VALONjohtavuus
  25. ↑ Aurinkosähköefekti - artikkeli Suuresta Neuvostoliiton Encyclopediasta . 
  26. ↑ Akimov I. A., Cherkasov Yu. A., Cherkashin M. I. Herkistynyt valosähköefekti. - M . : Nauka, 1980. - S. 384.
  27. ↑ 1 2 Tauc Ya. Valo- ja lämpösähköiset ilmiöt puolijohteissa. - M .: IL, 1962. - S. 141.
  28. ↑ Klimov A.N. Ydinfysiikka ja ydinreaktorit. - M . : Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
  29. ↑ Kvanttielektroniikka. Pieni tietosanakirja. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969. - S. 431.
  30. ↑ Fys. Rev. Lett. 102, 163002 (2009): Äärimmäinen ultraviolettilaser kiihottaa atomin jättiläisresonanssia
  31. ↑ Klassisen valosähköisen vaikutuksen rajoituksia röntgensäteille löydetty | Nanoteknologia Nanonewsnet . Haettu 27. huhtikuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 28. huhtikuuta 2009.

Linkit

Kirjallisuus

  • Lukirsky P. I. Valosähköisestä efektistä. — L.; M.: Valtio. tech.-teoria. kustantamo, 1933. - 94 s.
  • Lukyanov S. Yu. Valokennot. - Moskova; Leningrad :: Kustantaja ja 2. tyyppi. Kustantaja Acad. Neuvostoliiton tieteet, 1948. - 372 s.
  • Ryvkin SM Valosähköiset ilmiöt puolijohteissa. - M .: Fizmatlit, 1963. - 494 s.
  • Fowler RH Puhtaiden metallien valosähköisten herkkyyskäyrien analyysi eri lämpötiloissa // Phys. Rev. - 1931. - Voi. 38.
  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa