Реферат: Фотоэффект 2

Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Text
/> Graphics
Презентация по физике на тему фотоэффект Краснодар2009 Graphics
Hv=A+mv2 / 2, где mv2 –максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена: mv2/2=eU 3 . U 3 — задерживающее напряжение. В теории Эйнштейна законы фотоэффекта объясняются следующим образом: .Интенсивность света пропорциональна числу фотонов в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Второй закон следует из уравнения: mv 2 /2=hv-A. Из этого же уравнения следует, что фотоэффект возможен лишь в том случае, когда энергия поглощённого фотона превышает работу выхода электрона из металла. Т. е. частота света при этом должна превышать некоторое определённое для каждого вещества значение, равное A>h. Эта минимальная частота определяет красную границу фотоэффекта: vo=A/h yo=c/vo=ch/A. Graphics
.При меньшей частоте света энергии фотона не хватает для совершения электроном работы выхода, и поэтому фотоэффект отсутствует. Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить и ещё одну закономерность, установленную Столетевым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется. С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать многофотонные процессы, когда электрон, прежде чем покинуть катод, претерпевал столкновение не с одним, а с несколькими фотонами. В этом случае уравнение фотоэффекта записывается: Nhv=A+mv 2 /2, чему соответствует красная граница. Фотоэффект широко используется в технике. На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество ”видящих” автоматов, которые вовремя включают и выключают маяки, уличное освещение, автоматически открывают двери, сортируют детали, останавливают мощный пресс, когда рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на киноплёнке. Graphics
Внутренний фотоэффект Такое испускание электронов называют фотоэлектронной эмиссией, а само явление внешним фотоэффектом. Наряду с ним известен также и широко используется в практических целях так называемый внутренний фотоэффект, при котором, в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. Его можно обнаружить, в частности, по изменению проводимости однородных полупроводников при их освещении. На основе этого явления – фотопроводимости создана и постоянно совершенствуется большая группа приемников света – фоторезисторов. Для них используется в основном селенид и сульфид кадмия. Graphics
В неоднородных полупроводниках наряду с изменением проводимости наблюдается также образование разности потенциалов (фото – э.д.с.). Это явление (фотогальванический эффект) обусловлено тем, что в силу однородностей проводимости полупроводников происходит пространственное разделение внутри объема проводника оптически возбужденных электронов, несущих отрицательный заряд и микрозон (дырок), возникающих в непосредственной близости от атомов, от которых оторвались электроны, и подобно частицам несущих положительный элементарный заряд. Электроны и дырки концентрируются на разных концах полупроводника, вследствие чего и возникает электродвижущая сила, благодаря которой и вырабатывается без приложения внешней э.д.с. электрический ток в нагрузке, подключенной параллельно освещенному полупроводнику. Таким образом достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую. Graphics
Именно по этой причине фотогальванические приемники света и используются не только для регистрации световых сигналов, Нои в электрических цепях как источники электрической энергии. Основные промышленно выпускаемые типы таких приемников работают на основе селена и сернистого серебра. Весьма распространен также кремний, германий и ряд соединений – GaAs, InSb, CdTe и другие. Фотогальванические элементы, используемые для преобразования солнечной энергии в электрическую, приобрели особенно широкое применение в космических исследованиях как источники бортового питания. Они обладают относительно высоким коэффициентом полезного действия (до 20 %), весьма удобны в условиях автономного полета космического корабля. В современных солнечных элементах в зависимости от полупроводникового материала фото – э.д.с. достигает 1 – 2 В, съем тока с 1см– нескольких десятков миллиампер, а на 1 кг массы выходная мощность достигает сотен ватт. Graphics
Внутренний фотоэффект в полупроводниках Одним из наиболее важных приоритетов в развитии человечества является открытие и использование новых видов энергии, одним из которых стало открытие явления фотоэффекта. С 1876 года, когда в Великобритании был создан первый фотоэлемент, до наших дней ученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ее эффективности. Однако подлинная история использования полупроводниковых преобразователей началась в 1958-м, когда на третьем советском в качестве источника энергии были установлены солнечные кремниевые батареи, с тех пор основной источник энергии в космосе. Graphics
1974 году ученые приступили к промышленному производству солнечных батарей на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащаться искусственные спутники. Сейчас в мире идет работа над удвоением мощности солнечных фотоэлектрических установок. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Пока, правда, это самый дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более что такая энергия экологически безопасна и запасы ее практически неисчерпаемы. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20 % мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в машиностроении, приборостроении медицине, космосе и других отраслях… Уже сейчас много направлений, на которых солнечная энергия находит широкое применение-это мобильная телефонная связь, которой необходима автономное питание антенн при отсутствии линий электропередач. Graphics
Нобелевский лауреат Ханс Бете высказал гипотезу о том, что источником энергии, которую излучают Солнце и звезды, является термоядерный синтез. По сути, наше светило – это колоссальный термоядерный реактор. Строго говоря, жизнь на планете существует за счет одного главного источника – термоядерной реакции Солнца. Дальше продукты этой реакции поступают на Землю в виде световой энергии, которая нас согревает, преобразуется в электричество либо аккумулируется в виде нефти, газа, угля. Именно благодаря такому огромному потоку энергии, в той или иной форме поступающей от Солнца, можно вообще говорить о таком сложном явлении, как жизнь. Одним из направлений энергетики будущего является солнечная энергетика. Graphics
На сегодняшний день наиболее эффективным способом преобразования солнечной энергии является полупроводниковый фотоэффект Внутренний или полупрводниковый фотоэффект — увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света. Причиной фотопроводимости является увеличение концентрации носителей заряда (электронов) в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Для этого явления присуще такое понятие как Фотопроводимость — дополнительная электропроводность полупроводников, обусловленная действием света. Graphics
Фотопроводимость зависит от рода полупроводника, его температуры, а также вида и количества примесей в нем. Bнyтpeннuй фoтoэффeкт нa6людaeтcя npu ocвeщeнии пoлyпpoвoднuкoв и дuэлeктpuкoв, ecлu энepruя фoтoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнa из вaлeнтнoй зoны в зoнy npoвoдимocти. B некоторых noлynpoвoдникax фoтoэффeкт o6нapyживaeтcя тaкжe в тoм cлyчae, ecли энeprия элeктpoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнoв в зoнy npoвoдимocти c дoнopныx npимecныx ypoвнeй или из вaлeнтнoй зoны. Taк в noлynpoвoдникax и диэлeктpикax вoзникaeт фотопроводимость. Graphics
Введение Многочисленные оптические явления непротиворечиво объясняли, исходя из представлений о волновой природе света. Однако в конце XIX – начале XX в. были открыты и изучены такие явления, как фотоэффект, рентгеновское излучение, эффект Комптона, излучение атомов и молекул, тепловое излучение и другие, объяснение которых с волновой точки зрения оказалось невозможным. Объяснение новых экспериментальных фактов было получено на основе корпускулярных представлений о природе света. Возникла парадоксальная ситуация, связанная с применением совершенно противоположных физических моделей волны и частицы для объяснения оптических явлений. В одних явлениях свет проявлял волновые свойства, в других – корпускулярные. Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы. Graphics
Интepecнaя paзнoвиднocть внyтpeннero фoтoэффeктa нa6людaeтcя в кoнтaктe элeктpoннoro и дыpoчнoro noлynpoвoдникoв. B этoм cлyчae noд дeйcтвиeм cвeтa вoзникaют элeктpoны и дыpки, кoтopыe paздeляютcя элeктpичecким noлeм p-n-nepexoдa: элeктpoны nepeмeщaютcя в noлynpoвoдник тиna n, a дыpки — в noлynpoвoдник тиna p. Пpи этoм мeждy дыpoчным и элeктpoнным noлynpoвoдникaми измeняeтcя кoнтaктнaя paзнocть noтeнциaлoв no cpaвнeнию c paвнoвecнoй, т.e. вoзникaeт фoтoэлeктpoдвижyщaя cилa. Taкyю фopмy внyтpeннero фoтoэффeктa нaзывaют вeнтильным фoтoэффeктoм. Graphics
Oн мoжeт 6ыть иcnoльзoвaн для нenocpeдcтвeннoro npeo6paзoвaния энeprии элeктpoмarнитнoro излyчeния в энeprию элeктpичecкoro тoкa. Элeктpoвaкyyмныe или noлynpoвoдникoвыe npи6opы, npини, иn pa6oты кoтopыx ocнoвaн нa фoтoэффeктe, нaзывaют фoтoэлeктpoнными. Фотоэлектрические явления возникают при поглощении веществом электромагнитного излучения оптического диапазона. К этим явлениям относится и внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего света.Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана Эйнштейном. Graphics
Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков. Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи). Необходимые условия для возникновения внутреннего фотоэффекта- частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже). Graphics
С помощью законов сохранения энергии и импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободной частицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллической решетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла. Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография справа). Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора — фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей. Graphics
Виды фотоэффектов Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний и вентильный. Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах. Внешний фотоэффект в металле 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. Graphics
Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с некоторого ее значения, называемого красной границей; фотоэффект прекратится. Экспериментальные исследования показали, что термин «красная граница» не означает, что граница фотоэффекта обязательно попадает в область красного цвета. 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. Graphics
Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблюдается вконтакте 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. Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока Graphics
1. История открытия фотоэффекта Фотоэффект-испускание электронов телами под действием света, который был открыт в 1887 г. Герценом. В 1888 Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластинки последняя приобретает положительный заряд. В этом же году Столетев создал первый фотоэлемент и применил его на практике, потом он установил прямую пропорциональность силы фототока интенсивности падающего света. В 1899 Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны. Graphics
1-закон фотоэффекта Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света. Graphics
2-закон фотоэффекта Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности. Graphics
3- закон фотоэффекта Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0(или максимальная длина волны y0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v<v0, то фотоэффект уже не происходит. Graphics
Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории. Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов( фотонов) с энергией hv каждый ( 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.