Тема 2.1 Квантовые свойства света

Раздел 2. Физика атома и атомного ядра

(квантовая оптика)

1. Явление фотоэффекта. Опыты Столетова

2. Законы фотоэффекта

3. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовой теории

4. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом и их применение

5. Внутренний фотоэффект. Фоторезисторы

6. Полупроводниковые фотоэлементы

1. Явление фотоэффекта. Опыты Столетова

Русский учёный Столетов опытным путём вывел 3 закона фотоэффекта

Рассмотрим опыты Столетова

Если отрицательно заряженную пластинку осветить светом дуги, то она быстро разряжается. Происходит это в результате того, что электроны за счёт энергии излучения покидают поверхность этой пластинки.

Если пластинка заряжена положительным зарядом, то за счёт энергии излучения электроны также покидают поверхность пластинки, но при этом возвращают назад. Поэтому заряда терять пластинка не будет.

Если пластинка нейтральна, то за счёт вылетающих электронов она начнёт преобразовываться в положительный заряд.

Вывод: Вылет электронов с поверхности вещества за счёт энергии излучения называется фотоэлектронным эффектом.

2. Законы фотоэффекта

Столетов установил на опытной установке:

1 зак: Фототок насыщения и световой поток (интенсивность излучения) находятся в прямой пропорциональной зависимости.

2 зак: Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности излучения, а зависит от частоты излучения и рода вещества, из которого изготовлен фотокатод.

е = 1,6×10^-19 кл – заряд электрона

Uз – напряжение, при котором фототок равен нулю

Максимальную кинетическую энергию фотоэлектрона можно рассчитать при условии, если изменить потенциалы на электродах трубки (на катод подать +, на анод -) в этом случае электроны будут двигаться в тормозящем электрическом поле, совершая работу за счёт своей кинетической энергии.

Если первоначальная кинетическая энергия равна совершаемой работе, то фототок в трубке становится равным нулю, из этого условия рассчитывается кинетическая энергия электронов.

3 зак: Красная граница фотоэффекта не зависит от интенсивности излучения, а зависит от рода вещества и частоты поверхности.

Красная граница фотоэффекта – это наибольшая длина волны, которая вызывает фотоэффект у данного вещества.

3. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовой теории

2 и 3 законы фотоэффекта объяснить, исходя из волновых представлений на природу света, не удаётся, объяснить их можно, пользуясь квантовыми свойствами света. Что и было сделано в 1905 г. учёным Эйнштейном. Согласно квантовым представлениям на природу света любое излучение представляет собою отдельные кванты (порции) электромагнитных волн. Электрон поверхностью вещества поглощает 1 квант энергии, и если энергии кванта достаточно, чтобы совершить работу выхода с поверхности вещества, то электрон её покидает и наблюдается фотоэффект. Оставшаяся часть энергии после совершения работы представляет собой кинетическую энергию электронов.

- формула Эйнштейна для фотоэффекта.

n – частота электромагнитного излучения

h – пост. 6,2×10²³

I) Объяснение 1 закона (фотоэффекта)

Чем больше интенсивность света, тем больше квантов поглощается электронами поверхности вещества и тем больше будет их вылетать с поверхности вещества.

Чем больше вылет электронов, тем больше фототок насыщения, следовательно, фототок насыщения зависит от интенсивности излучения.

II)

III) При условии красной границы кинетическая энергия принимается за 0, но при этом электрон выходит из поверхности вещества.

=0 hnкр = Aвых

4. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом и их применение

Практическое применение, явление внешнего фотоэффекта нашло в фотоэлементах, в которых энергией излучения воздействуют на процессы, происходящие электрических цепях. Фотоэлемент представляет собой стеклянный болон, в котором создан вакуум. С внутренней стороны на стенки болона наносится тонкий слой проводника, на поверхность этого проводника наносится тонкий слой вещества, чувствительного к свету, т.е. с малой работой выхода. При этом оставляется прозрачное окошечко для света. Всё это представляет фотокатод. Анод представляет собой любой формы проводник, и располагают его таким образом, чтобы он не перекрывал светового потока, попадающего на катод.

Принцип работы

5) Темновой режим, т.к. в баллоне вакуум, то при подаче напряжения на электроды не освещённый фотоэлементом ток будет равным нулю.

II) Световой режим. За счёт энергии излучения с поверхности катода происходит эмиссия электронов, в результате которой в электрической цепи появляется ток. Т.о. есть свет – есть ток, нет света – нет тока.

Фототок в электрическом фотоэлементе и световой поток находятся в прямой пропорциональной зависимости – это свойство фотоэлемента впервые было использовано при озвучивании фильмов.

5. Внутренний фотоэффект. Фоторезисторы

Внутренний фотоэффект. Фоторезисторы

Опытным путём было установлено, что сопротивление полупроводников зависит от их освещённости, при освещённости полупроводника за счёт энергии излучения в освещённом слое полупроводников.

При освещённости полупроводников происходит генерация электронно-дырочных пар. В результате этого появляются свободные носители зарядов и сопротивление.

Это явление было названо внутренним фотоэффектом.

Практически это явление используют в полупроводниковых резисторах. Они представляют собой пластинку из диэлектрика, на поверхность которого наносится тонкий слой полупроводника. Для защиты этого слоя от внешнего воздействия, он покрывается тонкой прозрачной плёнкой.

6. Полупроводниковые фотоэлементы

Фотоэлемент – полупроводник. Фотоэлемент преобразует энергию излучения в электрическую энергию, т.е. это источники постоянного тока. Фотоэлементы, соединяясь между собой, образуют батарею. Если эта батарея предназначена для преобразования энергии видимого излучения в электрическую, то её назвали солнечной батареей.

Рассмотрим устройство и принцип работы фотоэлемента

На поверхность проводника с проводимостью типа “P,, методом напыления наносится тонкий слой полупроводника с проводимостью типа “n,,. Толщина этого слоя измеряется микронами. Между полупроводниками с разным типом проводимости образуется электронно-дырочный переход с электрическим полем. В целом верхний и нижний слои фотоэлементов электронейтральны.

Если на фотоэлемент направить световой поток, то за счёт энергии излучения происходит внутренний фотоэффект. Свободные электроны и дырки попадают в электрическое поле “P,, -“n,, перехода, которое вытесняет электроны на поверхность фотоэлемента, а дырки опускаются вниз. В результате такого перераспределению зарядов, верхняя часть полупроводников принимает отрицательные потенциалы, а нижняя – положительные. Напряжение, получаемое от фотоэффекта, меньше одного вольта, а сила тока порядка 25 миллиампер с каждого квадратного сантиметра осваиваемой поверхности.

Для того чтобы получить ток большой мощности, фотоэлементы соединяют в батареи. В результате последовательного соединения увеличивается напряжение, а параллельного – сила тока.

I) Строение атома водорода. Постулаты Бора

II) Излучение и поглощение энергии атомами.

I) Строение атома водорода. Постулаты Бора

Швейцарский физик Бальмер, изучая линейчатый спектр видимой части атома водорода, пришёл к выводу, что все длины волн, излучаемые атомом водорода, можно определить по формуле.

- серия Бальмера m = 3, 4, 5, 6…

Лаймон, изучая спектр водорода ультрафиолетовой части, установил, что все длины волн могут быть рассчитаны по формуле

- серия Лаймона m = 2, 3, 4, 5…

Пашен, изучая спектр водорода в инфракрасной части, установил, что все длины волн могут быть рассчитаны по формуле

- серия Пашена m = 4, 5, 6, 7…

Для того, чтобы объяснить закономерности, наблюдаемые в спектре излучения или поглощения атомов водорода, воспользуемся ядерной моделью атома, разработанной в 1912 г. учёным Резерфордом и применим к этой модели постулаты Нильса Бора, разработанные в 1913 г.

II) Постулаты Бора:

1. Электроны в атомах могут вращаться вокруг ядра по оболочкам строго определённого радиуса, при этом обладая строго определённым значением энергии таких разрешённых оболочек множество.

2. Электрон, вращающийся на любой из разрешённых оболочек, энергии не излучает и не поглощает.

3. Электрон может переходить с одной разрешённой оболочки на другую, но при этом атом либо поглощает квант энергии, либо излучает численно равный разности энергий электрона на этих оболочках.

При переходе электрона на оболочку большего радиуса он поглощает, а меньшего, излучает энергию.

II) Излучение и поглощение энергии атомами.

Объясним закономерность, наблюдаемую в спектре излучения атома водорода; все длины волн, излучаемые атомом водорода, могут быть рассчитаны по формуле:

n – номер оболочки, на которую переходит электрон

n=1 (ультрафиолет); n =2 (видимое излучение); n = 3 и более (инфракрасное)

m – номер оболочки, с которой переходит электрон