Fotoelektromos hatás - fizikaiskola

A Tejút családfája

ultraibolya sugárzás

A nanodiamandok teljesen integrált vezérlése

Kicsit közelebb a naphoz

Távolság a csillagoktól

Mitől ragyognak a csillagok

Egyirányú utca az elektronok számára

Új számban talált több száz példányt Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica-ból

Naprendszerünk kevesebb mint 200 000 év alatt alakult ki

Egészséges a Marson

Fotoelektromos hatás

A kifejezés alatt fotoelektromos hatás (szintén fotoelektromos hatás vagy rövid Fotóhatás) a fotonok anyaggal való kölcsönhatásának három szorosan összefüggő, de különböző folyamatát foglalják össze. Mindhárom esetben egy elektron válik egy kötésből - pl. B. egy atomban vagy vegyérték sávban vagy egy szilárd anyag vezetőképességi sávjában - feloldva egy fotont. A foton energiájának legalább akkorának kell lennie, mint az elektron kötési energiájának.

Háromféle fotoelektromos effektus létezik:

  • Mikor külső fotoelektromos hatás (szintén Photoemisszió vagy Hall viasz hatása) az a kifejezés, amelyet az elektronok félvezető vagy fém felületéről (lásd fotokatód) történő besugárzás útján történő felszabadulásának leírására használnak. Ezt a hatást még a 19. században fedezték fel [1], és 1905-ben értelmezte először Albert Einstein, ahol bevezette a fénykvantum kifejezést.
  • A belső fotoelektromos hatás félvezetőkben fordul elő. Két eset van:
    1. Mikor Fotovezetés a félvezetők vezetőképességének növekedését jelöli egymáshoz nem kötődő elektron-lyuk párok kialakulása miatt.
    2. Erre építve a fotovoltaikus hatás a fény átalakulása elektromos energiává.
  • Alatt Photoionizáció (szintén atomfotó hatás) Végül megértjük az egyes atomok vagy molekulák ionizálását kellően nagy frekvenciájú fénnyel történő besugárzással.

Külső fotoelektromos hatás

A töltéshordozóknak a csupasz fémfelület elektrolitokban történő fény általi felszabadulását először 1839-ben észlelte Alexandre Edmond Becquerel az úgynevezett Becquerel-effektusban.

1886-ban Heinrich Hertz szikrahézagban képes volt kimutatni az ultraibolya sugárzás (UV) hatását a fémfelületekre. [2] Megfigyelte, hogy az A „elsődleges szikra” által kibocsátott ultraibolya fény megnöveli egy második B szikra hosszát. A B hossza kölcsönösen függ a szikrák közötti távolságtól, az ultraibolya sugárzás különböző elnyelői (beleértve azokat is, amelyek átlátszóak a látható spektrális tartományban) csökkentették a szikrát. Hertz nem tudta bizonyítani, hogy a látható fény befolyásolta a szikra hosszát. Ezeknek a megfigyeléseknek a magyarázata az, hogy az ultraibolya fény kiüti az elektronokat a szikraköz elektródáiból, amelyek aztán alacsonyabb elektromos térerősség mellett is villanáshoz vezetnek, mivel a munkafunkciót nem először kell használni.

Wilhelm Hallwachs, akkor Heinrich Hertz asszisztense további szisztematikus vizsgálatokat végzett (innen a név Hall viasz hatása). Megmutatta z. B. egy "arany levél elektroszkóppal" (lásd a jobb oldali ábrát), hogy egy fémlemez ívlámpával történő besugárzásával elektromosan feltölthető. [3] [4]

Philipp Lenard elsőként vizsgálta a fotoelektromos hatást nagy vákuumban. [5] 1899-ben meg tudta határozni a fajlagos töltésüket azáltal, hogy eltérítette a töltéshordozókat a mágneses mezőben, és így elektronként azonosította őket. Felfedezte az alábbiakban leírt függőségeket a frekvenciától és a besugárzástól. Albert Einstein 1905-ben közölte műve 8. §-ában A fény előállításával és átalakításával kapcsolatos heurisztikus nézőpontról, amiért 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott, a hatás helyes magyarázatát. [6] Robert Andrews Millikan 1912 és 1915 között képes volt megerősíteni az ellentétes mező módszer segítségével (lásd alább), hogy Einstein egyenletének arányossági tényezője megegyezik Planck már ismert cselekvési kvantumával. [7]

Ellentétes mező módszer

Az ellentétes terepi módszer, a fotóeffektus mérésének egyik módszere, hasznos többek között a külső fotóeffektus demonstrációs kísérleteiben iskolákban és egyetemeken.

A higanygőz-lámpa fényéből egy keskeny hullámhossztartományt szűrünk ki egy interferencia-szűrőn vagy monokromátoron keresztül, és (esetleg a lencsén keresztül) egy vákuumos fotocella katódjára (a képen pirosra) kötjük. Vákuum szükséges a fotokatód felületének oxidációtól való védelme érdekében, de mindenekelőtt úgy, hogy a kiszabadult elektronok átlagos szabad útja elegendő legyen az ellentétes, gyakran gyűrű alakú anód eléréséhez. $ U_0 $ feszültség alkalmazható a két elektróda között, és a jelenlegi $ I_ \ mathrm (U_0) $ egy érzékeny ampermérővel mérhető. A kísérlet részletesebb leírása megtalálható pl. B. Millikan említett munkájában [7] vagy gyakornoki forgatókönyvben. [8.]

Ha a katódot kellően rövid hullámhosszú fénnyel besugározzák, akkor az elektronokat "kiütik". Kinetikus energiájuk miatt $ E_ \ mathrm $ ezek az anód felé mozognak. A fotocella válik az áramforrássá és az áramlóvá Fényáram $ I_ \ mathrm (0) $ érzékeny ampermérővel mérhető. Ha most egy $ U_0 $ ellenfeszültséget alkalmaznak, akkor az anódhoz eljutó és fotovezetéshez vezető elektronoknak a katódból származó $ W_K $ munkafunkció mellett felül kell kerekedniük a keletkezett elektromos téren.

A $ U_0 (f) $ ellenfeszültség, amelyből már nem folyik fényáram, meghatározható a fény különböző frekvenciáihoz; Ennél a feszültségnél az a potenciális különbség $ E_ \ mathrm = e \ cdot U_0 $, amelyet az elektronoknak (elektromos töltés $ e $) le kell győzniük, megegyezik az elektronok maximális mozgási energiájával, miután kiléptek a katódból. Ha azt feltételezzük, hogy a fény energiáját csak a $ E = h \ cdot f $ energiájú kvantumok viszik át az elektronokra (Planck $ h $ állandóval), akkor a mért egyenes meredekségéből származtathatunk $ e \ cdot U_0 (f) $ határozza meg a $ h $ cselekvés kvantumát (lásd még Millikan [7]). A $ W_K $ munkafüggvény szintén meghatározható.

Meghatározása H és a munkafunkció

A cink példájával (ábra a jobb oldalon) a diagram meredeksége a meredekség háromszög segítségével jön létre

nagyjából Planck cselekvési kvantuma. A szaggatott vonal y tengelyének metszete megfelel a munkafüggvénynek; cink esetén ezt az értéket kb. (-) 4,3 eV-nak olvassák. A valódi érték 4,34 eV.

Értelmezési problémák a hullámbemutató kontextusában

Az imént leírt kísérletekben a következő megfigyelések tehetők:

  • A fotokatódból kilépő elektronok mozgási energiája nem a besugárzástól függ, hanem a fény spektrális színétől, vagyis annak hullámhosszától $ \ lambda $ vagy $ f $ frekvenciától. .
  • Ezeknek a fotoelektronoknak a kinetikus energiája lineárisan növekszik a fény frekvenciájával, kezdve egy minimális frekvenciától.
  • Az elektron maximális hullámhossza vagy minimális frekvenciája a katód felületének anyagától függ, lásd a munkafunkciót.
  • Az elektronok felszabadulása gyakorlatilag azonnal megkezdődik, amikor a fény leesik, és a besugárzás vége után ugyanolyan gyorsan véget ér.
  • Az elektronok fényárama arányos a sugárzási fluxussal, ha az összes kibocsátott elektront egy kellően pozitív anód elkapja.

Az utolsó megfigyelés kivételével az összes megtalált kapcsolat ellentmond a fény klasszikus fogalmának, mint hullámjelenségnek. Eszerint a hullám energiája kizárólag annak amplitúdójától függ, de nem a frekvenciájától. Így az elektronok kinetikus energiájának csökkenő besugárzás mellett csökkennie kell. A hatásnak késéssel kell bekövetkeznie, mivel az elektronok felszabadításához szükséges energia átadása ekkor hosszabb ideig tart. Minimális frekvencia helyett a klasszikus koncepció szerint elvárható, hogy csökkenő frekvenciával csak az az idő növekedjen, amíg egy elektron elegendő fényenergiát gyűjtött össze.

A jelenség értelmezése és jelentése

Az olyan fizikusok, mint Isaac Newton, már feltételezték, hogy a fény részecskékből, úgynevezett testekből áll. Legkésőbb a 19. század végére azonban a fényrészecskék gondolatát elavultnak tekintették, mivel Maxwell elektrodinamikája elektromágneses hullámként értette a fényt, és ennek megfelelően interferencia kísérletek kétségtelenül bizonyították a fény hullámjellemét.

Einstein magyarázata a fényrészecskék fotoelektromos hatásáról 1905-ben merész hipotézis volt ezen a háttéren. Az alap Planck 1900-ból származó sugárzási hipotézise volt, amely szerint a fény részecskék áramából áll, a Fotonok, amelynek energiája $ E $ a fény $ f $ frekvenciájának és Planck $ h $ ($ E = h \ cdot f $) kvantumának szorzata. Ennek a feltételezésnek a segítségével először meg lehet magyarázni a frekvencia és a kinetikus energia kapcsolatát, és ez alapján minden további kísérleti megfigyelést. [6]

Az így talált látszólagos ellentmondást, miszerint a fény bizonyos kísérletekben hullám viselkedést mutat, másokban azonban a részecske viselkedést (hullám-részecske dualizmus), csak kvantummechanika oldotta fel. A fotoelektromos effektus volt az egyik kulcsfontosságú kísérlet a kvantumfizika megalapozásában. Einstein a hatás magyarázatáért 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott.

A fény kvantumelméletének az 1960-as években történő fejlesztésével lehetőség nyílt félig klasszikus módon megmagyarázni a fotóhatást: egy klasszikus elektromágneses hullám kölcsönhatásba lép a kvantált detektorral. A fotóhatás tehát nem egyértelmű bizonyíték a fény kvantum jellegére.

Alkalmazások

Különböző fizikai eszközök, mint például a fotorakatok és fotoradiátorok, valamint a képátalakító csövek, valamint egy fontos felületi-fizikai mérési módszer, a fotoelektron-spektroszkópia használják a fotoelektromos hatást. Ehhez fotoelektromos mérési módszereket alkalmaznak.

Belső fotoelektromos hatás

Fotovezetés

A fotovezetés alatt a félvezető anyagok elektromos vezetőképességének növekedését értjük, mivel a besugárzás során a meg nem kötött elektron-lyuk párok képződnek. Az elektronokat a fotonok energiája segítségével emelik a vegyérték sávból az energetikailag magasabb vezetősávba, amelyhez az egyes foton energiájának legalább meg kell felelnie a besugárzott félvezető sávrésének. Mivel a sávrés nagysága az anyagtól függ, a fény maximális hullámhossza, amelyig a fotovezetés létrejön, a félvezetőtől függően eltér (gallium-arsenid: 0,85 μm, germánium: 1,8 μm, szilícium: 1,1 μm).

A fényvezetőképesség-spektrumok az elektromos vezetőképesség függését a beeső fény energiájától (vagy hullámhosszától). A vezetőképesség jelentősen megnő a sávrés energiájától, így a (közvetlen) sávrés így meghatározható. Az ilyen fényvezetőképesség-spektrumok részletes elemzése, kombinálva más vizsgálatok eredményeivel, fontos alap a felhasznált anyag sávszerkezetének megértéséhez (lásd még a sávmodellt).

Ha a vizsgálatokat mágneses mezőben végzik, további részletek határozhatók meg, amelyek egyébként hatásaik szempontjából elválaszthatatlanul egymásra helyezkednének, de amelyeket a mágneses mező választ el. Ilyenek például a magneto-optikai Kerr-effektus és a Hall-effektus, amelyekkel meghatározható az elektronmobilitás.

Monokrómokat használnak a fotovezetés hullámhossz-függőségének mérésére. A méréseket általában vákuumban, pl. B. a közeli infravörös, vagy alacsony hőmérsékleten z-ig a vízsávok elkerülése érdekében (lásd infravörös spektroszkópia). B. a mágneses tér hatásainak elkülönítéséhez a zajtól.

A fényvezető képességet fotorezisztorokban, fototranzisztorokban, fotodiódákban és CCD szenzorokban használják (lásd még a dióda és a lavina fotodióda), amelyeket nagyszámú fényérzékelő gyártásához használnak.

A fotorezisztorokban és más félvezetőkben a fény által generált töltéshordozók sötétedés után is nagyon sokáig (óráktól napokig) fennmaradhatnak; ezt tartós fotóhatásnak nevezzük (röviden PPE). kitartó fotoeffektus).

A fototranzisztorok fényérzékeny PN csatlakozásokat tartalmaznak. Felerősítik a bázisukban bekövetkező áramot.

A látható és az infravörös spektrális tartományban végzett mérésekhez a fotodiódákat általában fotovezetőként működtetik kvázi rövidzárlatban vagy a blokkolási tartományban - ezután sokféle nagyságrendű áramot adnak, amely arányos a beeső sugárzási fluxussal.

A stroncium-titanát-monokristályokban szobahőmérsékleten állandó fotovezetés figyelhető meg. Az expozíció után a szabad elektronkoncentráció két nagyságrenddel növekszik, és napokig magas marad. [9]

Fotovoltaikus hatás

A fotovoltaikus effektus a belső fotoelektromos effektuson is alapul. Az űrtöltési zónában, azaz egy fotodióda p-n találkozásánál felmerülő töltéshordozó-párokat p- és n-rétegekre választják szét. Az elektronok belépnek az n-rétegbe, a lyukak a p-rétegbe és áram jön létre a kereszteződés áthaladásának irányával szemben. Ezt az áramot nevezzük fényáramnak.

Nagy területű fotodiódákat (napelemeket) használnak a nap sugárzó energiájának elektromos energiává történő átalakítására.

Photoionizáció

Az atomok vagy molekulák z. B. egy vagy több elektronjának rövidhullámú sugárzása nélkül megfosztják a gáztól, beszélhetünk róla Photoionizáció vagy atom vagy molekuláris fotóhatás. Ehhez lényegesen nagyobb energiájú fotonokra van szükség, mint a szilárd anyagban lévő kötés megszakításához. Ezeket ultraibolya, röntgen vagy gamma sugárzás tartalmazza.

A foton elnyelődik és megadja teljes Az elektron energiája, ezt a magfizikában szokás hívni Fotóhatás kijelölt. Ez z. B. sugárzási detektorokban kiaknázva. Ezenkívül a Compton-effektus is hozzájárul a fotoionizációhoz, amelyben az elektron csak az energia egy részét veszi át, míg a többi energia ismét nagyobb hullámhosszú fotonként emittálódik.

A $ \ sigma $ keresztmetszet, vagyis a fotoionizáció bekövetkezésének valószínűsége az anyag $ E_ \ gamma $ fotonenergiájától és az $ Z $ atomszámától függ:

$ \ sigma \ propto Z ^ 5E_ \ gamma ^ $

Ezért hozzávetőlegesen arányos a sorszám ötödik hatványával. Ez azt jelenti, hogy a nagy atomszámú anyagok különösen jól elnyelik a röntgen- és gammasugárzást. Az ólom ($ Z = 82 $) ezért jobban megfelel a röntgensugarak árnyékolásának, mint például az alumínium ($ Z = 13 $).

A fotonenergia növekedésével a keresztmetszet csökken, amint azt a képletben szereplő negatív teljesítmény mutatja; Ez azonban csak addig érvényes, amíg az atomban állandó számú elektron áll rendelkezésre ionizálásra. Amint a fotonenergia eléri a következő, szilárdabban kötött elektronhéj kötési energiáját, a keresztmetszet ennek megfelelően magasabb értékre ugrik, amelytől az energia növekedésével fokozatosan ismét csökken. Ez az abszorpciós spektrum jellegzetes struktúráihoz vezet, a Abszorpciós élek. Az elektronkötési energiák néhány eV és 100 keV között mozognak nagy atomszámú elemekben.

A levegő ionizáló ultraibolya sugárzás útján történő fotoionizálását a vezetőképesség növelésére és ezáltal az elektrosztatikus töltések eloszlatására használják.

A levegő vezetőképességének mérésével a természetes radioaktivitás egy részének kozmikus eredetét először léggömb-emelkedőkön történő méréssel bizonyítottuk: a kozmikus sugárzás ionizáló részecskék és részben radioaktív spallációs termékek záporát eredményezi.

Van egy nukleáris fotóhatás is, amelyben egy nagyon nagy energiájú gammakvantum szívódik fel az atommagban, és atomreakcióval neutron-, proton- vagy alfa-részecskét szabadít fel. Ezt nevezzük (γ, n), (γ, p) és (γ, α) reakcióknak is.