В чем состоит различие между внешним и внутренним фотоэффектом тест

В чем состоит различие между внешним и внутренним фотоэффектом?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

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

Методический проект урока на тему "Световые кванты. Фотоэффект"

Дидактический тип урока: закрепление нового материала.

Форма урока: урок-беседа с элементами поиска.

Оборудование: электрометр с цинковой пластиной; комплект по фотоэффекту КПФ-1; косметический прибор «Фотон»; карточки с заданиями.

• Введение.
• Повторение нового материала: явление фотоэффекта; законы фотоэффекта; опыты Столетова А.Г.; уравнение фотоэффекта.
• Демонстрация опыта фотоэффекта. Беседа с учащимися.
• Решение задач.
• Обобщение урока.
• Задание на дом.

I. Введение

В предыдущей главе были рассмотрены трудности, возникшие при описании движения тел с релятивистскими скоростями, и показаны пути решения этой проблемы, с которой столкнулась физика в начале ХХ века.
Оказалось, что на основе законов классической физики невозможно объяснить строение атома, происхождение линейчатых спектров, закономерности испускания и поглощения электромагнитного излучения нагретыми телами, явления фотоэффекта и т. д. Все это вместе создало ситуацию, которая была названа кризисом классической физики. Разрешить этот кризис удалось путем создания теории относительности и квантовой теории – двух фундаментальных теорий, возникших в начале ХХ века.
Исторически квантовая теория возникла в процессе установления закономерностей теплового излучения и эти понятия мы рассматривали с вами при изучении этой главы, к повторению вопросов которой и переходим.
Во второй половине XIX – начале XX в. учеными были открыты атомы, ядра атомов, электроны и некоторые другие микрочастицы. Проникнув в микромир, люди узнали, что известные тогда законы механики и электромеханики не объясняли некоторые открытые явления микромира. Накопился ряд опытных фактов, которые не смогла объяснить физическая теория того времени. Как объяснить новые экспериментальные факты? Каким новым законам подчинено движение микрочастиц?
Квантовая физика – это раздел современной физики, в котором изучаются свойства, строение атомов и молекул, движение и взаимодействие микрочастиц.
В возникновении квантовой физики важнейшую роль сыграло изучение взаимодействия электромагнитных волн с веществом. В 1886 г. немецкий физик Г. Герц открыл явление электризации металлических поверхностей при их освещении. Позднее ученые выяснили, что под действием света часть электронов, входящих в состав тела, покидает его.

II. Повторение нового материала сочетаем с его углублением

1. Сообщение о А.Г.Столетове. Изучение устройства и работы установки Столетова.
2. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.
3. Фронтальный опрос.

Вспомним некоторые определения, понятия, формулы из пройденной темы, порешаем несложные качественные задачи.
Излучение, испускаемое нагретыми телами, называется тепловым. При этом не следует думать, что тепловое излучение возникает только при высоких температурах. Оно происходит и при комнатной температуре. Разница лишь в том, что по мере понижения температуры уменьшается интенсивность излучения и изменяется его спектральный состав. При t

800 o C испускается в основном красное излучение с

680 нм, а также невидимое инфракрасное излучение с от 10 6 до10 3 нм.
Каждое тело может не только испускать, но и поглощать тепловое излучение. Чем больше энергии тело излучает при некоторой постоянной температуре, тем сильнее оно поглощает излучение такого же спектрального состава при той же температуре.

Вопрос 1. Вспомним, что называют абсолютно черным телом? (а.ч.т.)

Ответ: Тело, которое при любой не разрушающей его температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты.
Абсолютно черных тел не существует – это идеализация, оно является наиболее интенсивным источником теплового излучения, при одной и той же температуре, оно в единицу времени с поверхности единичной площади испускает больше энергии электромагнитного излучения, чем любое другое тело.

Вопрос 2. Что мы называем законом Стефана-Больцмана, и что из него следует?

Ответ: Интегральная светимость а.ч.т. пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

Из закона Стефана-Больцмана следует, что излучение а.ч.т. определяется только его температурой.

Вопрос 3. Как распределяется энергия излучения а.ч.т. по длинам волн?

Ответ: Энергия излучения вначале растет с увеличением длины волны, но пройдя через максимум убывает (т.к. для каждой температуры существует такая _max,на которую приходится наибольшая часть энергии, испускаемой а.ч.т. При повышении температуры _m уменьшается).

Вопрос 4. Как изменилась температура а.ч.т., если длина волны, на которую приходится максимум излучения, увеличилась в 3 раза?
Ответ: Уменьшилась в 3 раза (закон изменения Вина )

Вопрос 5. Во сколько раз изменилась температура а.ч.т., если мощность излучения этого тела увеличилась в 16 раз?

Ответ: Увеличилась в 2 раза ( – закон Стефана-Больцмана)

Вопрос 6. Какая гипотеза была высказана Планком?

Ответ:А.ч.т. испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными конечными порциями энергии – квантами.

Вопрос 7. Частота облучающего света увеличилась в 2 раза. Как изменится напряжение запирания для фотоэлемента?

Ответ: Увеличилась в 2 раза ()

Вопрос 8. По какой формуле определяют красную границу фотоэффекта? И что это такое?

Ответ: . Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. света, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

9. В чем состоит различие между внешним и внутренним фотоэффектом?

Ответ: При внешнем фотоэффекте электроны вырываются из вещества, а при внутреннем – остаются внутри вещества.

Вопрос 10. Как зависит U₃ фототока от облучающего света?
Ответ:

Вопрос 11. Что подтверждает эффект Комптона?

Ответ:Квантовую природу света. Он свидетельствует о существовании фотонов и наличии у них энергии и импульса.

Вопрос 12. Что такое фотон? Его свойства?

Ответ:

1) является частицей электромагнитного поля;
2) движется со скоростью света;
3) существует только в движении;
4) масса покоя равна 0;
5) остановить фотон нельзя, он либо движется, либо не существует.

Вопрос 13. В чем заключается эффект Комптона?

Ответ:Комптон обнаружил, что если рентгеновское излучение с ₀ рассеивается веществом, то в рассеянном потоке наряду с излучением с ₀ наблюдается излучение с большей , – изменение длины волны, зависитот угла рассеяния U. Чем больше U, тем больше потери энергии, а следовательно уменьшение частоты.

Вопрос 14. Если энергия излучения кванта увеличилась в 2 раза, то частота излучения.

Ответ: Увеличилась в 2 раза ()

Вопрос 15. Какие из физических явлений не смогла объяснить классическая физика?

Ответ: Тепловое излучение нагретыми телами.

III. Демонстрация опыта фотоэффекта

1. Демонстрация опыта фотоэффекта.

Главная задача опыта – выделить и изучить явление фотоэффекта.

2. Беседа с учащимися.

Цель беседы: выяснить физическую сущность-микромеханизм-нового явления.

1. Что является причиной разрядки электрометра?
2. Почему можно сделать вывод о вылете электронов с цинковой пластинки?
3. Будет ли наблюдаться разрядка электрометра, если его зарядить положительно?
4. Изменится ли время разрядки электрометра, если пластинку расположить под углом к потоку света? Если увеличить расстояние между электрометром и источником света?

Первый опыт: фотоэффект наблюдается лишь при облучении пластины световыми волнами определенной длины.

Второй опыт: используется другой источник света – мощная электрическая лампа накаливания.

Вопрос по опыту учащимся: будет ли энергия, сообщаемая светом электронам в пластинке, зависеть от освещенности с точки зрения волновой теории?

Ответ. Будет, так как, чем больше освещенность, тем большая энергия передается пластинке светом, а значит, и большая энергия должна приходиться на отдельный электрон. По волновой теории поток энергии непрерывен.
Опыт с лампой накаливания: фотоэффект не наблюдается; на пути потока света от специального источника ставиться стекло, разрядка прекращается, стекло поглощает световые волны больших частот.

Общий вывод: волновая теория света неспособна объяснить, почему фотоэффект в данном случае вызывается одними и не вызывается другими световыми волнами.

V. Обобщение урока

1. Мы знаем, что согласно представлениям Эйнштейна, поглощенная порция энергии идет на совершение работы выхода по вырыванию электрона из металла и сообщение ему W_кин.
2. Если частота света , то фотоэффект не наблюдается.
3. При излучении и поглощении свет обнаруживает корпускулярные свойства, и световую частицу называем фотоном.
4. В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (интерференция и дифракция).
5. Свет обладает дуализмом свойств.

IV. Задание на дом.

Пособие: 11.1 (28, 31, 34);
11.2 (11, 17, 23).
Повторить: § 88 – 91

Тест на тему “Теория фотоэффекта Эйнштейна”

Фотоэффект — это передача энергии света или любого другого электромагнитного излучения веществу с выбиванием из вещества электронов.

Если при облучении вещества электроны выходят из него, то это явление называется:

Фотоэффект может быть внешним — в этом случае электроны выходят во внешнее пространство, и внутренним.

При внутреннем фотоэффекте электроны:

Фотоэффект может быть внешним и внутренним — во втором случае электроны остаются в веществе, но имеют более высокий уровень энергии.

Фотоэффект был открыт:

1887 г. Г. Герц изучал закономерности возникновения искры в разрядниках и заметил, что искра возникает гораздо легче, если облучать разрядник ультрафиолетовым излучением.

Наиболее подробно в конце XIX в. фотоэффект изучался:

Наиболее подробно в конце XIX в. фотоэффект изучался А. Столетовым. Он установил законы фотоэффекта.

Противоречия между данными опытов по фотоэффекту и электродинамикой Максвелла удалось объяснить:

Объяснить наблюдаемые закономерности удалось А. Эйнштейну в 1905 г.

Первым к идее квантового характера излучения электромагнитных волн пришел:

В 1900 г. М. Планк разрабатывал теорию теплового излучения и пришел к выводу, что оно излучается не непрерывно, а порциями — квантами

Согласно теории М. Планка, энергия кванта излучения равна:

Энергия кванта излучения пропорциональна частоте. Такая пропорциональность имеется только в третьей формуле. Она верна.

Энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы выбить его из вещества, называется:

Для того чтобы выбить электрон из атома, необходимо сообщить ему некоторую энергию, которая называется работой выхода $A_<вых>$, специфичную для каждого вещества. Если фотоны не обладают такой энергией, электроны не будут выбиты, фотоэффект исчезает.