Открытие фотоэлектрического эффекта. Понятие фотон. Теория фотонов. Эффект электронной лавины.
Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.
История открытия
В 1839 году Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите.
В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.
Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.
В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.
Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:
hν = Aout + Ek
где Aout — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), Ek — кинетическая энергия вылетающего электрона (в зависимости от скорости может вычисляться как кинетическая энергия релятивистской частицы, так и нет), ν — частота падающего фотона с энергией hν, h — постоянная Планка.
Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.
Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантово-механических исследований в физике.
Законы фотоэффекта:
Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.
Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν < ν0, то фотоэффект уже не происходит.
Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка.
При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл: hν = Aout + Ek, где Ek — максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла.
Фотон
Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю.
Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны.
Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны.
С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом, обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами. Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной.
Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях. Поэтому скорость фотона равна скорости света.
Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Фотон не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме, стабилен. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны и направление распространения.
Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон. При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.
Если энергия фотона равна E, то импульс 
связан с энергией соотношением E = cp, где c — скорость света (скорость, с которой в любой момент времени движется фотон как безмассовая частица). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой 
, как показано в специальной теории относительности.
Вынужденное излучение
В 1916 году Эйнштейн показал, что закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела может быть выведен исходя из следующих статистических полуклассических представлений:
-
Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях; -
При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.
Внешний фотоэффект
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.
Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.
Теория Фаулера
Основные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера. Согласно ей, после поглощения в металле фотона, его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми-Дирака и возбужденным (сдвинутым на hν) распределением по энергиям. Плотность фототока определяется формулой Фаулера:
где B1, B2, B3 – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX век
Фотовольтаика — метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество.
Эффект электронной лавины
Эффект электронной лавины заключается в том, что при попадании кванта солнечного света (фотона) на поверхность полупроводникового материала происходит высвобождение не 1-го электрона, как в случае простых солнечных батарей, а сходу пары – 2-ух, 3-х либо 4.
На теоретическом уровне, использование данного эффекта может повысить КПД солнечных батарей до 44% против современных 10–20%.
Список источников:
-
https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоэлемент -
https://www.femto.com.ua/articles/part_2/4396.html -
https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотон -
Савельев И.В., Курс общей физики, т. 3 -
https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотовольтаика