Квантовые постулаты Бора
В результате проведения опытов по рассеянию альфа-частиц, Эрнест Резерфорд установил, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сконцентрированы в очень малой области – атомном ядре. Основываясь на своих экспериментах и расчетах, Резерфорд смог вычислить размеры атома и размеры атомного ядра. Выяснилось, что ядро в десятки или даже сотни тысяч раз меньше самого атома. На основании всего выше перечисленного, Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой, вокруг положительно заряженного ядра вращаются электроны. Трудности в этой модели возникли почти сразу же, потому что она противоречила законам электродинамики Максвелла и законам механики Ньютона. В соответствии с ними, атом не мог просуществовать и 1 мкс, поскольку электроны должны были бы очень скоро упасть в ядро. Поэтому, необходимо было составить какую-то новую теорию, подходящую для описания процессов, происходящих внутри атома.
Сегодня такая теория называется квантовой механикой. Начало этой теории ещё в 1913 году положил Нильс Бор. Конечно, ему не удалось сразу разработать последовательную теорию атома. Однако, он сформулировал основные положения новой теории в виде постулатов.
Первый постулат Бора (или постулат стационарных состояний) гласит следующее: существуют особые, стационарные состояния атома, находясь в которых, атом не излучает энергию, при этом, электроны в атоме движутся с ускорением.
Второй постулат Бора (или правило частот) говорит нам о том, что излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний. Здесь необходимо отметить, что данный постулат распространяется не только на видимый свет. То есть, атом может излучать энергию и в инфракрасной области спектра, и в ультрафиолетовой.
Второй постулат Бора описывается следующей формулой
Если разделить всё уравнение на постоянную Планка, то получим выражение, с помощью которого можно вычислить частоту излучения.
Таким образом, первый постулат Бора гласит, что электрон может находиться только в особых стационарных состояниях. То есть, существуют определенные орбиты, каждая из которых соответствует определенному энергетическому уровню. Обратите внимание, что в атомной физике энергия измеряется в эВ (электрон-вольтах).
1 эВ – это энергия приобретаемая электроном при прохождении им разности потенциалов в 1 В.
1 эВ = 1,6×10 –19 Дж
В данном примере числовые значения энергий соответствуют атому водорода.
Электрон может обладать одной из указанных энергий и находится на соответствующей орбите. Никаких промежуточных стадий в стабильных атомах быть не может. Если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на менее высокий, то он излучает свет, и энергия излученного фотона может быть вычислена в соответствии со вторым постулатом Бора. И, наоборот, при переходе с низкого энергетического уровня на высокий, происходит поглощение света. Важно понимать, что энергия излучается или поглощается дискретными порциями (то есть квантами). Разумеется, электрон не может излучить или поглотить дробное число фотонов.
Отметим, что состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а все остальные состояния – возбужденными. В возбужденном состоянии электрон может находиться очень недолго (не более, чем 10 –8 с), а в основном состоянии – неограниченно долго.
Простейшая атомная система – это атом водорода. Именно для построения теории атома водорода Бор и применил свои постулаты. Основной задачей являлось нахождение частот электромагнитных волн, которые излучал атом водорода. Для решения этой задачи, Бору пришлось сформулировать третий постулат, который также называется правилом квантования. Анализируя данные, полученные в результате своих исследований излучения атома водорода, Нильс Бор заметил следующее: произведение импульса электрона и длины его орбиты всегда кратно постоянной Планка.
В модели Бора электрон двигался по круговой орбите, поэтому длину его окружности можно найти по формуле
Если перенести 
в правую часть, то
где ħ – квантовая постоянная Планка.
Очевидно, что скорость движения электрона зависит от того, по какой орбите он вращается. Полученное уравнение называется правилом квантования орбит, то есть из этого уравнения можно найти стационарные электронные орбиты.
Несмотря на свои постулаты, Нильс Бор, конечно, не отказывался полностью от классической механики. Он также рассмотрел движение электрона как равномерное криволинейное движение. Итак, электрон движется по круговой орбите с некоторой скоростью 
. Электрон обладает элементарным отрицательным зарядом, а ядро обладает положительным зарядом, кратным элементарному.
Из курса физики 9 класса известно, Z – это зарядовое число. Именно на него и умножается элементарный заряд, чтобы найти заряд ядра данного атома. В результате электромагнитного взаимодействия, электрон притягивается к ядру с силой, которая вычисляется в соответствии с законом Кулона. Исходя из второго закона Ньютона, можно приравнять эту силу к произведению массы электрона и центростремительного ускорения.
Можно преобразовать полученное уравнение, домножив его на радиус в квадрате.
Используя это уравнение, и правило квантования орбит, можно составить систему из двух уравнений.
В этой системе уравнений всего два неизвестных – это скорость электрона и радиус орбиты. Если разделить второе уравнение на первое, то можно получить выражение, с помощью которого вычисляется скорость электрона, вращающегося на n орбите.
Коэффициент пропорциональности k, квантовая постоянная Планка и заряд электрона – всё это физические константы, которые известны. Остается только подставить в данное выражение порядковый номер элемента (то есть зарядовое число) и номер орбиты (который называется главным квантовым числом). Если теперь выражение для скорости подставить в первое уравнение, то можно вывести формулу, по которой рассчитывается радиус орбиты.
Известно, что зарядовое число водорода равно единице. Если подставить единицу вместо Z и вместо n, то убедимся, что скорость электрона в атоме водорода на первой орбите равна
а радиус орбиты (то есть радиус атома) водорода равен
Согласно теории Бора, энергия электрона в атоме водорода зависит только от того, на каком энергетическом уровне он находится.
В представленной формуле n – это номер орбиты, а все остальные величины являются физическими константами. Эту формулу можно вывести, если вспомнить, что кинетическая энергия равна половине произведения массы и квадрата скорости.
Если подставить выражение для вычисления скорости электрона на n орбите в формулу для кинетической энергии и подставить единицу вместо Z, то можно получить исходную формулу.
Имеется знак минус в этой формуле, поскольку первый энергетический уровень принимается за самый низкий.
Было рассмотрено применение теории Бора только к атому водорода. Дело в том, что разработать теорию для других атомов, на основе представлений Бора, не удалось. В этом нет ничего удивительного. Ведь для создания своей теории Бор использовал как классическую физику, так и совершенно новые постулаты, противоречащие классической физике, в то время как требовалось разработать фундаментально новый подход к механике и электродинамике. Такой подход был разработан в конце двадцатых годов прошлого столетия: были разработаны такие теории, как квантовая механика и квантовая электродинамика. Как выяснилось, первые два постулата Бора абсолютно правильные, но третий постулат применим далеко не всегда.
Упражнения.
Задача 1.Определите частоту волны света, испускаемого атомом водорода при его переходе с пятого энергетического уровня на третий энергетический уровень.
Задача 2.Найдите силу тока, который вызывает электрон, двигаясь в атоме водорода, находящемся в основном состоянии.
Основные выводы:
– Первый постулат или постулат стационарных состояний гласит: существуют особые, стационарные состояния атома, находясь в которых, атом не излучает энергию, при этом, электроны в атоме движутся с ускорением.
– Второй постулат или правило частот Бор сформулировал так: излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.
– Энергия электрона атома водорода, находящегося на n энергетическом уровне:
– Радиус n-ой орбиты электрона:
– Скорость электрона на n-ой орбите:
– Модель Бора не в состоянии описать движение электронов в других атомах. Для полного понимания, процессы, происходящие внутри атомов, нужно рассматривать с точки зрения квантовой механики.
Тест 1
Задание #1
Как зависит Ек фотоэлектронов от интенсивности света?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
2) прямо пропорционально
3) обратно пропорционально
Задание #2
Что такое красная граница фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
1) Длина волны красного света
2) наименьшая длина волны
3) наибольшая длина волны
Задание #3
При увеличении интенсивности падающего света количество вырванных фотоэлектронов.
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #4
Как зависит Ек фотоэлектронов от частоты света?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
2) прямо пропорционально
3) обратно пропорционально
Задание #5
Длина волны голубого света 500нм, а желтого 600нм. Фотоны какого света имеют большую энергию?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #6
Какой фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #7
Какой фотоэффект используется в полупроводниковых фотоэлементах?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #8
Какой электрод освещают в вакуумном фотоэлементе для возникновения фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #9
Цинк заряжен положительно. Как изменится заряд в результате фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #10
Фотоэффект можно объяснить на основе. природы света
Выберите один из 3 вариантов ответа:
3) и той и другой
Задание #11
Не заряженный цинк освещается УФЛ. Какой заряд он приобретёт?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #12
Цинк освещают синими лучами малой интенсивности. Возникнет ли фотоэффект, если интенсивность увеличить?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #13
При уменьшении интенсивности света количество вырываемых фотоэлектронов.
Выберите один из 3 вариантов ответа:
1) не изменяется
Тест 2
Вопрос 1
Почему Эрнест Резерфорд считал, что исследовать распределение массы атома можно с помощью исследования распределения положительного заряда атома?
Варианты ответов
1. Это было чисто гипотетическое умозаключение
2. Потому что было установлено, что суммарная масса электронов в атоме составляет ничтожную часть от массы самого атома
3. Потому что гравитационное взаимодействие значительно слабее электромагнитного
4. По другим причинам
Вопрос 2
На сколько порядков радиус атомного ядра меньше радиуса самого атома?
Варианты ответов
Вопрос 3
Чему противоречила планетарная модель атома?
Варианты ответов
1. Классической механике Ньютона
2. Электродинамике Максвелла
3. Квантовой механике
4. Квантовой хромодинамике
5. Здравому смыслу
Вопрос 4
Укажите, какие факты легли в построение модели атома Томсона
Варианты ответов
1. атомы электрически нейтральны
2. любые атомы содержат электроны
3. в некоторых атомах отсутствуют электроны
4. электроны являются лёгкими относительно масс атомов отрицательно заряженными корпускулами с малым и равным зарядом
5. электроны являются тяжёлыми относительно масс атомов отрицательно заряженными корпускулами с малым и равным зарядом
6. при возбуждении атомов они излучают только на определённых частотах, порождая линейчатые оптические спектры.
7. при возбуждении атомов они излучают на всех частотах, порождая сплошные оптические спектры.
Вопрос 5
Какой вариант строения атома использовал Томсон для построение своей модели.
Варианты ответов
1. Каждый отрицательно заряженный электрон спарен с гипотетической положительно заряженной частицей, и эта пара блуждает внутри атома.
2. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг сосредоточенной в центре атома области положительного заряда, равного по абсолютной величине суммарному заряду всех электронов атома.
3. Электроны погружены в сферическое облако положительного заряда с равной везде плотностью заряда внутри этой сферы, где могут свободно двигаться.
4. Ничего из перечисленного
Вопрос 6
Как с помощью "пудинговой" модели атома объяснялось появление линейчатых спектров испускания?
Варианты ответов
1. Они возникают из-за разницы энергий при движении электронов по разным кольцевым орбитам.
2. Они возникают из-за разницы энергий при движении электронов по всему объёму атома.
3. Они возникают из-за одинаковой энергий при движении по разным кольцевым орбитам.
4. Они возникают из-за разницы энергий при движении по одинаковым кольцевым орбитам.
Вопрос 7
Укажите преимущества и недостатки модели атома Томсона
Варианты ответов
1. можно объяснить явление электризации
2. можно объяснить электрическую проводимость твёрдых тел, жидкостей и газов
3. не могла объяснить наличие большого числа линий в спектрах атомов
4. не позволяла объяснить спектральные закономерности в спектре атома водорода
Вопрос 8
Укажите особенности ядерной модели атома Резерфорда.
Варианты ответов
1. в центре атома расположено ядро
2. почти вся масса атома (99,96 %) сосредоточена в ядре
3. ядро окружают электроны, образуя электронную оболочку атома
4. в ядре находятся электроны, образуя электронную оболочку атома
5. суммарный заряд электронов равен заряду ядра, поэтому атом в целом электрически нейтрален
6. суммарный заряд электронов больше заряда ядра, поэтому атом имеет отрицательный заряд
Вопрос 9
Укажите недостатки ядерной модели атома
Варианты ответов
1. Непрерывное излучение ЭМВ с частотой, равной частоте вращения электрона вокруг ядра атома
2. Квантованное излучение ЭМВ с частотой, равной частоте вращения электрона вокруг ядра атома
3. Потеря энергии электроном
4. Изменение частоты вращения электрона
5. Неизменное значение частоты вращения электрона
Вопрос 10
Укажите учёного (или учёных), проводившим первые опыты по рассеиванию альфа-частиц.
Варианты ответов
1. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна. Урок 38. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/41-fotoeffiekt-uravnieniie-einshtieina.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).
2. Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Урок 42. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/42-fotoehffekt-zakony-vneshnego-fotoehffekta.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).
3. Фотоны. Урок 39. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/42-fotony.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).
4. Применение фотоэффекта. Урок 40. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/43-primienieniie-fotoeffiekta.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).
5. Строение атома. Опыты Резерфорда. Урок 41. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/44-stroieniie-atoma-opyty-riezierforda.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).
6. Квантовые постулаты Бора. Урок 42. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/45-kvantovyie-postulaty-bora.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).
7. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Урок 44. Физика 11 класс ФГОС [Электронный ресурс]. – https://videouroki.net/video/47-stroieniie-atomnogho-iadra-iadiernyie-sily.html– Видеоуроки– (Дата обращения: 11.05.2020).
Домашнее задание:
1.Изучите темы: «Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна. Фотоны. Применение фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта. Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора».
Задание в тестовой форме по теме “ Фотоэффект и его законы ”
5. Фотоэффект происходит интенсивнее при…
1) рентгеновском излучении
2) гамма – излучении
3) ультрафиолетовом излучении
6. Фотоэффект происходит при условии если
1) hυ < А 2) hυ > А 3) при любом соотношении hυ и А
Задание #1
Как зависит Ек фотоэлектронов от интенсивности света?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
2) прямо пропорционально
3) обратно пропорционально
Задание #2
Что такое красная граница фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
1) Длина волны красного света
2) наименьшая длина волны
3) наибольшая длина волны
Задание #3
Фотоэффект возникает если:
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #4
При увеличении интенсивности падающего света количество вырванных фотоэлектронов.
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #5
Как зависит Ек фотоэлектронов от частоты света?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
2) прямо пропорционально
3) обратно пропорционально
Задание #6
Длина волны голубого света 500нм, а желтого 600нм.Фтоны какого света имеют большую энергию?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #7
Какой фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #8
Какой фотоэффект используется в полупроводниковых фотоэлементах?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #9
Какой электрод освещают в вакуумном фотоэлементе для возникновения фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #10
Цинк заряжен положительно. Как изменится заряд в результате фотоэффекта?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #11
Фотоэффект можно объяснить на основе. природы света
Выберите один из 3 вариантов ответа:
3) и той и ддругой
Задание #12
Не заряженный цинк освещается УФЛ.Какой заряд он приобретёт?
Выберите один из 3 вариантов ответа:
Задание #13
Цинк освещают синими лучами малой интенсивности.Возникнет ли фотоэффект если интенсивность увеличить?
Выберите один из 2 вариантов ответа:
Задание #14
При уменьшении интенсивности света количество вырываемых фотоэлектронов.
Выберите один из 3 вариантов ответа:
1) не изменяется
Задание #15
Выберите один из 3 вариантов ответа:
3) ЭМВ и поток частиц одновременно
Ответы:
1) (1 б.) Верные ответы: 1;
2) (1 б.) Верные ответы: 3;
3) (1 б.) Верные ответы: 2;
4) (1 б.) Верные ответы: 2;
5) (1 б.) Верные ответы: 2;
6) (1 б.) Верные ответы: 2;
7) (1 б.) Верные ответы: 1;
8) (1 б.) Верные ответы: 2;
9) (1 б.) Верные ответы: 2;
10) (1 б.) Верные ответы: 1;
11) (1 б.) Верные ответы: 2;
12) (1 б.) Верные ответы: 1;
13) (1 б.) Верные ответы: 2;
14) (1 б.) Верные ответы: 3;
15) (1 б.) Верные ответы: 3.
Курс повышения квалификации
Теория и методика педагогического проектирования
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в профессиональном образовании
- Курс добавлен 20.07.2022
Курс повышения квалификации
Профессиональные компетенции педагога в рамках Федерального закона «Об образовании в Российской Федерации» №273-ФЗ от 29.12.2012
«Домашнее обучение. Лайфхаки для родителей»
Краткое описание документа:
Открытый урок по теме «Фотоэффект и его законы»
Преподаватель физики: Магомедов А.М.
Цели:
- образовательная: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется;
- развивающая: развивать логику, возможность работать в группе; учить моделировать процессы на компьютере;
- воспитательная: воспитывать внимание, чувство ответственности, прививать интерес к предмету.
Вид урока: изучение нового материала.
Тип урока: комбинированный
Оборудование: компьютеры, мультимедийный проектор, электронные издания «Физика,7-11» (Физикон); «Уроки физики в 11 классе» (Кирилл и Мефодий)
Наглядные пособия: презентация, сопровождающая различные этапы урока.
Дидактический материал: тест по проверке домашнего задания.
Ход урока:
- Организационный момент.
— Тема сегодняшнего урока «Фотоэффект». При рассмотрении этой интересной темы мы продолжаем изучать раздел «Квантовая физика» ,постараемся выяснить какое действие оказывает свет на вещество и от чего зависит это действие. Но сначала мы повторим материал пройденный на прошлом уроке, без которого сложно разобраться в тонкостях фотоэффекта. На прошлом уроке мы рассмотрели гипотезу Планка, свойства фотона.
2. Проверка домашнего задания. Актуализация опорных знаний.
Повторять будем следующим образом:
А)Одна группа ребят будет выполнять тест по пройденной теме. Тест содержит три части. В части А необходимо выбрать правильный ответ, в задании части В написать ответ,в задании части С дать развёрнутый ответ. Панель для ответов вы найдёте в самих тестах.
Фотоэффект (виды формула Эйнштейна)
Фотоэффект это испускание электронов в результате действия на вещество (твердые жидкие) солнечного света, а также электромагнитного излучения, это происходит из за передачи части энергии фотонов электронам этого вещества.
Разделяется на два основных вида: внешний и внутренний.
Внешний — это поглощение фотонов который сопровождается вылетом электронов за пределы этого вещества.
Внутренний — здесь электроны остаются в данном веществе и изменяют свое энергетическое состояние.
Примером фотоэффекта служит солнечная батарея, в результате действия солнечного света образуется постоянный электрический ток.
Что такое фотоэффект
Свет, падая на поверхность металла и поглощаясь в нем, вызывает эмиссию электронов. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом (сокращенно — фотоэффектом).
Фотоэффект можно показать следующим опытом: хорошо очищенной и укрепленной на электроскопе Э цинковой пластинке П (рис. ) предварительно сообщают отрицательный заряд (избыток электронов облегчает их эмиссию) и действуют на нее излучением электрической дуги или ртутной лампы. При этом пластинка быстро разряжается, что наблюдается по электроскопу.
Кто открыл фотоэффект
В 1887 году при работе Генрихом Герцем с открытым резонатором было выяснено , что освещение на цинковые пластинки разрядника ультрафиолетом, прохождение искры облегчается.
Основные закономерности фотоэффекта были установлены А. Г. Столетовым в 1890 г. В 1905 г. Эйнштейн показал, что фотоэффект хорошо объясняется, если предположить, что свет поглощается прерывно такими же порциями, какими он по предположению Планка испускается. Эти элементарные порции или кванты света Эйнштейн назвал фотонами.
Более подробные характеристики фотоэффекта были получены позже, пользуясь вакуумной камерой Т (рис. , а) в которую помещались металлические электроды А и К.
Излучение И пропускалось через окно О, закрытое кварцевой пластинкой Я, измерялся фототок I ф, образуемый потоком электронов, испускаемых катодом (гальванометр Г) и напряжение U между электродами (вольтметр V), которое регулировалось потенциометром Р.
При постепенном увеличении напряжения фототок I ф нарастал, достигая при некотором его значении максимальной величины — фототока насыщения I ф.н.
При обратной полярности приложенного напряжения фототок постепенно убывал и при некотором его значении U3 снижался до нуля (рис. , б).
Наличие фототока при отрицательном напряжении между электродами показывает, что фотоэлектроны имеют начальную скорость и кинетическую энергию, которая позволяет им преодолевать противодействие сил электрического поля между электродами.
В результате были установлены три закона фотоэффекта.
Законы фотоэффекта
- Первый закон фотоэффекта (закон Столетова). Фототок насыщения Iф.н(т. е. наибольшее количество фотоэлектронов, испускаемое катодом в единицу времени) прямо пропорционален лучистому потоку Фэ, падающему на металл: Iф.н = kФэ, где k — коэффициент пропорциональности, который зависит как от природы металла, так и от длины волны излучения и называется чувствительностью к фотоэффекту.
- Второй закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности.
- Третий закон фотоэффекта. Фотоэффект вызывается только под действием излучения, длина волны которого меньше некоторой предельной длины волны λк, характер ной для каждого металла и называемой красной границей фотоэффекта.
При длине волны большей, чем предельная λк независимо от интенсивности излучения, фотоэффект не происходит.
Фотоэффект происходит в результате поглощения фотонов свободными электронами металла. Каждый фотон взаимодействует с одним электроном (рис. 2). При этом электрон получает дополнительную энергию, равную энергии фотона Еф. Если эта энергия меньше работы выхода А электрона из металла:
то фотоэффекта не происходит (усиливается тепловое движение электрона).
Если энергия фотона равна или больше работы выхода:
Еф≥ А,
то фотоэффект происходит (работа выхода зависит от природы металла и одинакова как при фотоэлектронной, так и термоэлектронной эмиссии). При этом, если энергия фотона превышает работу выхода, то разность между ними переходит в кинетическую энергию mυ 2 э/2 фотоэлектрона. Энергия фотона по Планку Е ф = hv, следовательно,
hv = A + (mυ 2 э/2)
Это уравнение называется уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Из уравнения следует, что mυ 2 э/2 = hv — A, т.е. энергия и скорость фотоэлектронов зависят только от частоты излучения и с повышением ее увеличивается. Это объясняет II закон фотоэффекта.
В предельном случае h vK = A, где. vK — наименьшая частота, при ко торой происходит фотоэффект vк = A/h. Соответствующая ей длина волны (красная граница фотоэффекта):
λк = h0/A,
где A выражена в эргах. Это объясняет III закон фотоэффекта.
Таблица фотоэффекта металлов
Данные о длине волны красной границы фотоэффекта и о работе выхода для некоторых металлов приведены в таблице.
| Металл | λкр в ммк | А эв |
| Серебро | 260 | 4,75 |
| Вольфрам | 276 | 4,50 |
| Цинк | 290 | 4,20 |
| Натрий | 550 | 2,25 |
| Цезий | 620 | 2,0 |
Количество фотоэлектронов, испускаемых металлом в единицу времени (или фототок насыщения), пропорционально количеству фотонов, падающих на металл в единицу времени, или лучистому потоку. Этим объясняется I закон фотоэффекта.
Чем объясняется фотоэффект
Практически только небольшая доля от всех падающих на металл фотонов вызывает фотоэффект, причем она зависит как от природы металла (например, у щелочно-земельных металлов и их окисей она выше, чем у других металлов), так и от энергии фотонов: с повышением ее она возрастает.
В связи с этим чувствительность металла к фотоэффекту возрастает с уменьшением длины волны. У ряда веществ имеются резко выделяющиеся максимумы чувствительности к фотоэффекту в определенных узких интервалах длины волны. Это явление называется избирательным фотоэффектом.
Вакуумный фотоэлемент
Вакуумный фотоэлемент (рис. 3, а) состоит из стеклянной вакуумной колбы Б с цоколем Ц со штырьками для установки в гнезда ламповой панельки. Внутренняя поверхность колбы, за исключением окошка, через которое проходит свет, покрыта фоточувствительным слоем.
Слой соединен с выводом в цоколе и служит катодом К лампы. В центре колбы на ножке помещается второй электрод — анод А в виде кольца или сетки. Фотоэлемент включают последовательно в цепь источника постоянного напряжения, величина которого обеспечивает получение в цепи тока насыщения (рис. 3, б).
Чувствительность вакуумных фотоэлементов измеряется током насыщения в микроамперах, приходящимся на 1 лм светового потока, и в области видимого излучения имеет порядок 10—15 мка/лм.
Умножители фотоэффекта
Для усиления фототока применяют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) — приборы, в которых, кроме фотоэффекта, используется явление вторичной эмиссии электронов.
Умножитель (рис. 3) представляет вакуумный фотоэлемент с несколькими промежуточными электродами, называемыми эмиттерами, или динодами, которые покрыты веществом, легко испускающим при ударе электроны. Свет, падая на катод К, вызывает фотоэлектронную эмиссию.
Электроны, ускоряясь электрическим полем, создаваемым напряжением U1 источника питания (рис. 3), падают на первый эмиттер и выбивают из него вторичные электроны уже в большем количестве. Эти электроны, ускоряясь, падают на второй эмиттер, количество их увеличивается и т. д.
Постепенно усиливающий поток электронов падает на последний электрод — анод и создает ток через сопротивление R, включенное в цепь анода. Напряжение с него передается на приемное устройство, обычно — электронноламповый усилитель и измерительный прибор.
Если коэффициент усиления электронного тока на одном электроде п, а число их т, то общее усиление в умножителе k — п т и соответственно ток I а в анодной цепи I а = I к п т , где I к — ток фотокатода.
Усиление может достигать сотен тысяч. Напряжение на эмиттеры подается от высоковольтного выпрямителя (500—1000 в) через делитель напряжения на сопротивлениях.
Преобразователь состоит из стеклянного сосуда К с высоким вакуумом, в котором имеется полупрозрачный фотокатод ФК, против него расположен флуоресцирующий экран Э.
Между ними находится система электродов Н—Л, ускоряющая и фокусирующая электроны подобно электродам в электроннолучевой трубке. К электродам подводится постоянное высокое напряжение U.
Оптическое изображение предмета с помощью линзы проектируется на фотокатод ФК (при рентгеновском изображении последнее отбрасывается непосредственно на фотокатод, который в этом случае покрывается со стороны падающих лучей флуоресцирующим слоем).
Эмиссия электронов с фотокатода прямо пропорциональна его освещенности, поэтому плотность потока электронов отражает характер изображения на фотокатоде.
Электроны ускоряются электрическим полем между элект родами, падая на экран эт на нем вторичное флуоресцирующее изображение предмета. Оно может быть сделано значительно более ярким, чем изображение, падающее на фотокатод, а также наблюдаться увеличенным с помощью окуляра О.
Фотоэффект в полупроводниках
Фотоэффектом в наиболее широком значении называется отрыв электронов от атомов или молекул, происходящий в результате поглощения фотонов электромагнитного излучения. Если процесс завершается выходом электронов за пределы вещества, то фотоэффект называется внешним, если электроны остаются внутри вещества — то внутренним.
Внешний фотоэффект характерен для металлов. Внутренний фотоэффект происходит в полупроводниках. При этом может иметь место повышение их электропроводности (такой полупроводник называется фоторезистором) или — при определенных условиях — образование фотоэлектродвижущей силы. Это используется в фотоэлементах с запирающим слоем.
К явлениям внутреннего фотоэффекта относится также первичная ионизация газа, происходящая при поглощении оптического излучения, а также ионизация любого вещества под действием рентгеновского и радиоактивного гамма излучения.
Вентильный (с запирающим слоем) полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев электронного и дырочного полупроводников (или из слоя дырочного полупроводника, нанесенного на металл), между которыми образуется электронно-дырочный переход или запирающий слой.
В результате фотоэффекта, т. е. отрыва электронов, в полупроводниках образуются носители зарядов: электроны и дырки. Те из них, которые являются неосновными для данного полупроводника, проходят через запи рающий слой в соседний полупроводник.
Таким образом происходит разделение зарядов разного знака и между слоями полупроводника образуется разность потенциалов порядка 0,1—0,15 в. В связи с этим фотоэлемент не требует источника питания .
Селеновый фотоэлемент
Селеновый фотоэлемент (рис. 4 , а) состоит из стальной пластинки 1. которая служит одним из электродов. Она покрыта тонким слоем 2 селена с дырочной проводимостью (р). Поверх селена нанесен тончайший слой 3 серебра, который служит вторым электродом.
Атомы серебра проникают в прилежащий к нему слой селена и придают ему электронную проводимость (n). Между верхним и нижним слоями селена образуется электронно-дырочный переход или запирающий слой, в котором возникает контактная разность потенциалов (КРП), направленная от п к р слою (рис. 4 , б).
Фотоэлемент заключен в пластмассовую открытую сверху коробку 4, на которой укреплены два зажима 5, соединенных с электродами.
Применение фотоэффекта
Фотоэффект используется при устройстве электронно-оптических преобразователей (электронных преобразователей оптического изображе ния). Прибор предназначается для усиления яркости изображения при рентгеноскопии, для преобразования изображения, полученного с помощью инфракрасного излучения в видимое изображение и т. п.
Фотоэлектрический эффект используется в приборах, называемых фотоэлементами, которые в настоящее время получили широкое применение в различных областях техники (телевидение, фототелеграф, звуковое кино и др.) и особенно в технике световых измерений.
Фотохимическое действие света
При поглощении света атомы или молекулы вещества получают дополнительную энергию. В определенных случаях при этом атом или молекула получают возможность вступать в такие химические реакции, которые не происходят при их обычном состоянии, такие атомы и молекулы называются активированными.
Активация молекулы описывается уравнением
A + hv →A*,
где А — молекула в основном состоянии, hv — энергия фотона, поглощенного молекулой, и А* —активированная молекула.
Реакции, протекающие с участием активированных атомов или молекул, называются фотохимическими. Примером фотохимической реакции служит реакция разложения светом бромистого серебра, на которой основана фотография.
Основной закон фотохимической реакции: количество прореагировавшего вещества прямо пропорционально количеству поглощенной энергии излучения.
Другими словами: количество Q прореагировавшего вещества прямо пропорционально поглощенному лучистому потоку Фэ и времени его действия:
Q = kФэt,
где k — есть коэффициент, зависящий от природы происходящей реакции и длины волны излучения.
Фотохимическую реакцию может вызывать только излучение, энергия фотонов которого больше некоторой энергии D, необходимой для возбуждения фотохимического процесса (энергия активации):
hv ≥ D.
Поэтому более химически активным является коротковолновое излучение (например, в области оптическо го— ультрафиолетовое), фотоны которого имеют большую энергию. Фотохимические реакции являются первичным звеном многих биологических реакций. Такова, например, реакция фотосинтеза растениями крахмала из активированных молекул углекислоты и воды:
К фотохимическим реакциям относятся реакции синтеза многих витаминов.
К этим реакциям относится также реакция разложения зрительного пурпура в сетчатке глаза. При поглощении фотона hv молекула родопсина R активируется и затем распадается на белок Р и ретинен r — вещество, близкое по составу к витамину А.
При поглощении света может происходить также изменение связей между частицами в сложной, например, белковой молекуле, что вызовет соответствующее изменение ее структуры. Это также относится к фотохимическим процессам.
Фотоэффект и его виды
Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.
Фотоэффект:
Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.
На основе явления фотоэффекта созданы специальные устройства – фотоэлементы. Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) – электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.
Выделяют внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект, а также вентильный (барьерный) фотоэффект и многофотонный фотоэффект.
Внешний фотоэффект:
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).
Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Рудольфом Герцем. Генрих Герц проводил опыты с цинковым разрядником – разрезанным пополам стержнем с парой металлических шариков на концах разреза. На разрядник подавалось высокое напряжение. При облучении цинкового разрядника ультрафиолетом было замечено, что прохождение искры в разряднике заметно облегчалось.
В 1888-1890 гг. Александр Григорьевич Столетов сделал несколько важных открытий в области фотоэффекта, в том числе вывел первый закон внешнего фотоэффекта.
В 1898 г. Джозеф Джон Томсон экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц – названных позднее электронами.
В 1900-1902 гг. Филипп Эдуард Антон фон Ленард доказал, что энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.
В 1905 г. внешний фотоэффект был объяснён Альбертом Эйнштейном.
Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Григорьевич Столетов в конце XIX века.
Он (фотоэлемент) представлял собой вакуумную стеклянную колбу. Часть внутренней поверхности колбы была покрыта тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступал в качестве катода . Он контактировал с проводом, который соединялся с отрицательным источником тока. В середине колбы располагался электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом . Анод соединялся с положительным источником тока. Другая часть колбы была прозрачна и пропускала вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырывались электроны, которые во внешнем электрическом поле устремлялись к аноду, создавая в цепи электрический ток.
Внутренний фотоэффект:
Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним. Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.
В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.
Впервые явление фотопроводимости (и соответственно явление внутреннего фотоэффекта) у селена открыл Уиллоуби Смит в 1873 г.
На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники обладают как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Вентильный (барьерный) фотоэффект:
Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p-n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).
При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.
На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей. Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей .
Эффект прямого преобразования света в электричество впервые был открыт в 1842 г. Александром Эдмоном Беккерелем.
В 1883 г. Чарльз Фриттс впервые создал первую работающую фотоэлектрическую ячейку, используя полупроводниковый материал селен. Фритц покрыл селен очень тонким слоем золота. Полученная фотоэлектрическая ячейка имела КПД преобразования света в электричество всего около 1%, что в сочетании с высокой стоимостью материала препятствовало использованию таких ячеек для энергоснабжения.
Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в настоящее время в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.
Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов , произведенных на основе различных материалов.
Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % |
| Кремниевые | 24,7 |
| Si (кристаллический) | |
| Si (поликристаллический) | |
| Si (тонкопленочная передача) | |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 |
| Si (аморфный) | 9,5 |
| Si (нанокристаллический) | 10,1 |
| На основе арсенида галлия и т.п. | |
| GaAs (кристаллический) | 25,1 |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 |
| InP (кристаллический) | 21,9 |
| Тонкие плёнки халькогенидов | |
| CIGS (фотоэлемент) | 19,9 |
| CIGS (субмодуль) | 16,6 |
| CdTe (фотоэлемент) | 16,5 |
| Фотохимические | |
| На базе органических красителей | 10,4 |
| На базе органических красителей (субмодуль) | 7,9 |
| Органические | |
| Органический полимер | 5,15 |
| Многослойные | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 |
| GaInP/GaAs | 30,3 |
| GaAs/CIS (тонкопленочный) | 25,8 |
| a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) | 11,7 |
Многофотонный фотоэффект:
Многофотонный фотоэффект – это явление, при котором изменение электропроводности, возникновение ЭДС или эмиссия электронов происходит вследствие поглощения одновременно энергии не от одного, а от нескольких фотонов. Такой эффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков).
Наиболее часто понятие многофотонный фотоэффект употребляется по отношению к внешнему фотоэффекту