외부 광전 효과의 법칙

열 복사와 함께 고전 물리학의 틀에 맞지 않는 현상은 광전 효과입니다.

외부 광전 효과는 전자파를 조사할 때 물질이 전자를 방출하는 현상입니다.

광전효과는 1887년 헤르츠(Hertz)에 의해 발견되었습니다. 그는 스파크간 간격에 빛을 조사하면 아연볼 사이의 스파크가 촉진된다는 사실을 발견했습니다. 외부 광전 효과의 법칙은 1888년 스톨레토프에 의해 실험적으로 연구되었습니다. 광전 효과를 연구하기 위한 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1.

금속 표면의 미미한 오염이 전자 방출에 영향을 미치기 때문에 음극과 양극은 진공관에 위치합니다. 음극은 석영 창을 통해 단색광으로 조명됩니다(석영은 일반 유리와 달리 자외선을 투과함). 양극과 음극 사이의 전압은 전위차계로 조정되고 전압계로 측정됩니다. 두 개의 배터리가 서로를 향해 연결되어 있으면 전위차계를 사용하여 전압의 값과 부호를 변경할 수 있습니다. 광전류의 강도는 검류계로 측정됩니다.

그림 2에서. 다양한 음극 조명에 해당하는 전압에 대한 광전류 강도의 의존성을 보여주는 곡선 및 (). 두 경우 모두 빛의 주파수는 동일합니다.

전자의 전하와 질량은 어디에 있고 는 무엇입니까?

전압이 증가하면 더 많은 광전자가 양극에 도달하므로 광전류가 증가합니다. 광전류의 최대값을 포화광전류라고 합니다. 이는 음극에서 빠져나온 모든 전자가 양극에 도달하는 전압 값에 해당합니다. 여기서 는 1초 동안 음극에서 방출되는 광전자의 수입니다.

Stoletov는 다음과 같은 광전 효과 법칙을 실험적으로 확립했습니다.

두 번째와 세 번째 법칙을 설명하는 데 심각한 어려움이 발생했습니다. 전자기 이론에 따르면 금속에서 자유 전자가 방출되는 것은 파동의 전기장에서 자유 전자가 "흔들리는" 결과여야 합니다. 그러면 방출된 전자의 최대 속도가 전기장 강도 벡터의 진동 진폭 및 관련 파동 강도가 아니라 빛의 주파수에 의존하는 이유가 명확하지 않습니다. 광전 효과의 제2법칙과 제3법칙을 해석하는 데 어려움이 있어 빛의 파동 이론의 보편적 적용 가능성에 대한 의문이 제기되었습니다.

아인슈타인의 광전 효과 방정식

1905년에 아인슈타인은 자신이 제안한 양자 이론을 사용하여 광전 효과의 법칙을 설명했습니다. 플랑크가 가정한 것처럼 빛은 주파수에 따라 방출될 뿐만 아니라 특정 부분(양자)의 물질에 흡수되기도 합니다. 빛은 빛의 속도로 움직이는 개별적인 빛 양자(광자)의 흐름입니다. 양자에너지는 와 같다. 각 양자는 단 하나의 전자에 의해서만 흡수됩니다. 그러므로 방출된 전자의 수는 빛의 세기(광전 효과의 제1법칙)에 비례해야 합니다.

입사 광자의 에너지는 금속을 떠나는 작업을 수행하는 전자와 방출된 광전자에 운동 에너지를 전달하는 데 소비됩니다.

(2)

방정식 (2)는 외부 광전 효과에 대한 아인슈타인 방정식이라고 불립니다. 아인슈타인의 방정식은 광전 효과의 두 번째 및 세 번째 법칙을 설명합니다. 방정식 (2)에 따르면 입사광의 주파수가 증가함에 따라 최대 운동 에너지가 증가합니다. 주파수가 감소함에 따라 운동 에너지는 감소하고 특정 주파수에서는 0이 되어 광전 효과가 중지됩니다(). 여기에서

흡수된 광자의 수는 어디에 있습니까?

이 경우 광전 효과의 빨간색 경계는 더 낮은 주파수 쪽으로 이동합니다.

.

(5)

외부 광전 효과 외에도 내부 광전 효과도 알려져 있습니다. 고체 및 액체 반도체와 유전체에 방사선을 조사하면 전자는 속박 상태에서 자유 상태로 이동하지만 날아가지는 않습니다. 자유 전자의 존재는 광전도성을 발생시킵니다. 광전도성은 빛의 영향으로 물질의 전기 전도도가 증가하는 것입니다.

광자 및 그 속성

간섭, 회절, 편광 현상은 빛의 파동 특성으로만 설명할 수 있습니다. 그러나 광전 효과와 열 복사는 미립자일 뿐입니다(빛을 광자의 흐름으로 간주). 빛의 속성에 대한 파동과 양자 설명은 서로를 보완합니다. 빛은 파동이기도 하고 입자이기도 하다. 파동과 미립자 특성 사이의 연결을 설정하는 기본 방정식은 다음과 같습니다.

(7)

그리고 입자를 특징짓는 양이고 파동입니다.

우리는 관계식 (6)에서 광자 질량을 찾습니다.

광자는 항상 빛의 속도로 움직이며 정지 질량이 0인 입자입니다. 광자 운동량은 다음과 같습니다.

콤프턴 효과

가장 완전한 미립자 특성은 Compton 효과에서 나타납니다. 1923년 미국 물리학자 콤프턴(Compton)은 원자가 가벼운 파라핀에 의한 X선 산란을 연구했습니다.

파동의 관점에서 X선의 산란은 물질의 전자의 강제 진동으로 인해 발생하므로 산란된 빛의 주파수는 입사광의 주파수와 일치해야 합니다. 그러나 산란된 빛에서는 더 긴 파장이 발견되었습니다. 산란된 X선의 파장과 산란 물질의 물질에 의존하지 않고 산란 방향에 따라 달라집니다. 1차 빔의 방향과 산란된 빛의 방향 사이의 각도를 라 하자. , 여기서 (m).

이 법칙은 전자가 핵에 약하게 결합되어 있는 가벼운 원자( , , , )에 적용됩니다. 산란 과정은 광자와 전자의 탄성 충돌로 설명할 수 있습니다. X선에 노출되면 전자는 원자에서 쉽게 분리됩니다. 따라서 자유전자에 의한 산란을 고려할 수 있다. 운동량을 가진 광자는 정지 전자와 충돌하여 에너지의 일부를 제공하고 스스로 운동량을 얻습니다(그림 3).

그림 3.

절대 탄성 충격에 대한 에너지 및 운동량 보존 법칙을 사용하여 다음 표현식을 얻습니다. , 이는 실험적인 것과 일치하는 반면, , 이는 빛의 미립자 이론을 증명합니다.

발광, 광발광 및 그 기본 원리

발광은 주어진 온도에서 열 복사보다 과도한 비평형 복사입니다. 발광은 신체의 가열로 인한 것이 아닌 외부 영향의 영향으로 발생합니다. 이것은 차가운 빛입니다. 여기 방법에 따라 광발광(빛의 영향을 받음), 화학 발광(화학 반응의 영향을 받음), 음극 발광(빠른 전자의 영향을 받음) 및 전계 발광(전기장의 영향을 받음)으로 구분됩니다. .

외부 영향이 사라진 직후에 멈추는 발광을 형광이라고 합니다. 노출 종료 후 s 이내에 발광이 사라지면 이를 인광이라고 합니다.

발광하는 물질을 형광체라고 합니다. 여기에는 우라늄, 희토류 화합물뿐만 아니라 결합이 번갈아 나타나는 공액 시스템, 방향족 화합물(플루오레세인, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센)이 포함됩니다.

광발광은 스톡스의 법칙을 따릅니다. 여기광의 주파수는 방출되는 주파수보다 큽니다. , 흡수된 에너지 중 열로 변하는 부분은 어디에 있습니까?

발광의 주요 특징은 흡수된 양자 수와 방출된 양자 수의 비율과 동일한 양자 수율입니다. 양자 수율이 1에 가까운 물질(예: 플루오레세인)이 있습니다. 안트라센의 양자 수율은 0.27입니다.

발광 현상은 실제로 널리 사용됩니다. 예를 들어, 발광 분석은 물질의 특징적인 빛을 통해 물질의 구성을 결정하는 방법입니다. 이 방법은 미량의 불순물을 검출하는 데 매우 민감하며(대략) 화학, 생물학, 의학 및 식품 산업 분야의 정밀 연구에 사용됩니다.

발광 결함 탐지를 사용하면 기계 부품 표면의 가장 미세한 균열을 탐지할 수 있습니다(검사 대상 표면은 발광 용액으로 덮여 있으며 제거 후에도 균열에 남아 있음).

형광체는 형광등에 사용되며, 광양자 발생기의 활성 매질, 전자-광 변환기에 사용됩니다. 다양한 장치의 발광 표시기를 만드는 데 사용됩니다.

야간 투시 장치의 물리적 원리

장치의 기본은 눈에 보이지 않는 IR 광선의 물체 이미지를 가시 이미지로 변환하는 전자 광학 변환기(EOC)입니다(그림 4).

그림 4.

1 – 광전 음극, 2 – 전자 렌즈, 3 – 발광 스크린,

물체의 적외선 복사는 광전 음극 표면에서 광전자 방출을 일으키고 후자의 여러 부분에서 방출되는 양은 투사된 이미지의 밝기 분포에 따라 달라집니다. 광전자는 광음극과 스크린 사이의 영역에서 전기장에 의해 가속되고, 전자 렌즈에 의해 집속되어 스크린에 충격을 가해 발광하게 됩니다. 화면의 개별 지점의 빛의 강도는 광전자의 자속 밀도에 따라 달라지며 그 결과 물체의 가시적 이미지가 화면에 나타납니다.

이론

광전 효과는 빛의 영향을 받아 물질에서 전자가 방출되는 현상입니다. 금속에서는 전자가 자유롭게 움직이지만 전자가 표면을 떠날 때 금속 자체가 양전하를 띠게 되어 전자가 떠나는 것을 방지합니다. 따라서 금속을 떠나기 위해서는 전자가 물질에 따라 추가적인 에너지를 가져야 합니다. 이 에너지를 일함수라고 합니다.

광전 효과를 연구하기 위해 그림 1에 표시된 설정을 조립할 수 있습니다. 1. 공기가 펌핑되는 유리 실린더로 구성됩니다. 빛이 떨어지는 창은 가시광선과 자외선을 투과시키는 석영 유리로 만들어졌습니다. 두 개의 전극이 실린더 내부에 납땜되어 있습니다. 그 중 하나인 음극은 창을 통해 조명됩니다. 전극 사이에서 소스는 전기장을 생성하여 광전자가 음극에서 양극으로 이동하게 합니다.

움직이는 전자는 전류(광전류)를 형성합니다. 전압이 변하면 전류도 변한다. 종속성 그래프 나~에서 유- 전류-전압 특성 - 그림에 표시됩니다. 2. 낮은 전압에서는 음극에서 방출된 모든 전자가 양극에 도달하는 것은 아니며, 전압이 증가할수록 전자의 수가 증가합니다. 특정 전압에서 빛에 의해 방출된 모든 전자는 양극에 도달한 후 포화 전류가 형성됩니다. 안에, 전압이 더 증가해도 전류는 변하지 않습니다.

입사된 방사선의 강도가 증가함에 따라 방출된 전자의 수에 비례하여 포화 전류의 증가가 관찰됩니다. 광전 효과 제1법칙은 빛에 의해 금속 표면에서 방출되는 전자의 수가 광파의 흡수 에너지에 비례한다는 것입니다.

전자의 운동에너지를 측정하려면 전류원의 극성을 바꿔야 합니다. 그래프에서 이 사례는 다음 섹션에 해당합니다. U, 광전류가 0으로 떨어지는 곳. 이제 이 장은 가속되지 않고 광전자를 감속시킵니다. 지연이라고 하는 특정 전압에서 유 3, 광전류가 사라집니다. 이 경우 모든 전자는 장에 의해 정지되고, 위로 던져진 돌이 지구의 중력장에 의해 정지되어 다시 지구로 돌아가는 것처럼 장은 전자를 이전 음극으로 되돌립니다.

전계력의 작업 A = 큐 3, 전자를 제동하는 데 소비되는 것은 전자의 운동 에너지 변화, 즉 중 V 2 /2 = qU 3, 어디 중- 전자 질량, v - 속도, 큐- 요금. 즉, 지연전압을 측정함으로써 유 3, 우리는 최대 운동 에너지를 정의합니다. 전자의 최대 운동 에너지는 빛의 강도가 아니라 주파수에만 의존한다는 것이 밝혀졌습니다. 이 진술을 광전 효과의 제2법칙이라고 합니다.

특정 물질에 따라 달라지는 빛의 특정 차단 주파수와 더 낮은 주파수에서는 광전 효과가 관찰되지 않습니다. 이 차단 주파수를 광전 효과의 "적색" 차단 주파수라고 합니다.

A. 아인슈타인은 1905년에 광전 효과의 법칙을 설명했습니다. 그는 빛의 양자 특성에 대한 플랑크의 아이디어를 사용했습니다. 빛 한 양자의 에너지 E = hν. 하나의 빛 양자가 하나의 전자를 방출한다고 가정하면, 양자의 에너지는 이자형전자의 일함수를 수행하게 된다 ㅏ그리고 그에게 운동에너지를 전달하기 위해 MV 2 /2. 그건

hν = A + mv 2 /2.

이 방정식을 광전 효과에 대한 아인슈타인 방정식이라고 합니다.

아인슈타인의 관점에서 광전효과 제1법칙을 설명해보자. 하나의 에너지 양자가 하나의 전자를 방출하면 물질이 더 많은 양을 흡수할수록(빛의 강도가 커짐) 더 많은 전자가 물질 밖으로 날아갑니다.

광전효과의 제2법칙을 설명해보자. 작업 기능 ㅏ물질의 종류에 따라 달라지며 빛의 주파수에는 의존하지 않습니다. 물질에서 방출된 전자의 운동에너지는 mv 2 /2=h - A빛의 주파수에 따라 달라집니다 ν : 주파수가 높을수록 전자가 받는 운동에너지가 커집니다. 아인슈타인의 방정식은 단일 전자의 에너지를 설명하기 때문에 빛의 강도는 전자의 운동 에너지에 영향을 미치지 않습니다. 얼마나 많은 전자가 방출되더라도 각 전자의 속도는 주파수에 따라 달라집니다.

아인슈타인의 공식은 또한 주어진 주파수의 빛이 한 물질에서 전자를 제거할 수 있지만 다른 물질에서는 전자를 제거할 수 없다는 사실을 설명합니다. 각 물질에 대해 광양자의 에너지가 일함수보다 크거나 극단적인 경우 같으면 광전 효과가 관찰됩니다( hν ≥ A). 광전 효과가 여전히 가능한 한계 주파수는 다음과 같습니다. ν 최소 = A/h. 이것은 운동 에너지를 전달하지 않고 전자가 방출되는 주파수, 즉 광전 효과의 "적색 한계"의 주파수입니다.

전자의 운동 에너지의 크기가 전계력의 작용, 즉 지연 전압과 동일한 경우에 대한 아인슈타인 방정식을 작성해 보겠습니다.

hν = A + qU 3.

여기에서 U 3 = -A/q + (h/q)ν.

주파수에 대한 지연 전압의 의존성을 플롯팅해 보겠습니다(그림 3). 공식에서 의존성이 분명합니다. 유 3~에서 ν 선형이다. 그래프 기울기의 접선:

tan α = ΔU 3 /Δν = h/q.

따라서 플랑크 상수는 다음과 같습니다.

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

이 공식은 플랑크 상수를 실험적으로 결정하는 데 사용됩니다.

1. 광전효과 발견의 역사

2. 스톨레토프의 법칙

3. 아인슈타인의 방정식

4. 내부 광전 효과

5. 광전효과 현상의 응용

소개

수많은 광학 현상은 빛의 파동성에 대한 아이디어를 바탕으로 일관되게 설명되었습니다. 그러나 19세기 말~20세기 초. 광전 효과, 엑스선 복사, 콤프턴 효과, 원자 및 분자 복사, 열 복사 등과 같은 현상이 발견되고 연구되었으며 파동 관점에서 설명하는 것은 불가능한 것으로 판명되었습니다. 새로운 실험적 사실에 대한 설명은 빛의 본질에 대한 미립자적 개념을 바탕으로 얻어졌습니다. 광학 현상을 설명하기 위해 파동과 입자의 완전히 반대되는 물리적 모델을 사용하는 것과 관련하여 역설적인 상황이 발생했습니다. 어떤 현상에서는 빛이 파동 특성을 나타내기도 하고 다른 현상에서는 미립자 특성을 나타내기도 합니다.

빛이 물질에 미치는 영향이 나타나는 다양한 현상 중에서 중요한 위치를 차지하는 것은 광전 효과, 즉 빛의 영향을 받아 물질에 의한 전자 방출입니다. 이 현상에 대한 분석은 빛양자라는 개념으로 이어졌고 현대 이론 개념의 발전에 매우 중요한 역할을 했습니다. 동시에, 광전 효과는 다양한 과학 기술 분야에서 매우 폭넓게 응용되고 더욱 풍부한 전망을 약속하는 광전지에 사용됩니다.

광전효과 발견의 역사

광전 효과의 발견은 1887년 Hertz가 에너지가 공급된 스파크 갭의 전극에 자외선을 비추면 전극 사이에 스파크가 쉽게 통과할 수 있다는 사실을 발견한 데 기인합니다.

Hertz가 발견한 현상은 다음과 같은 쉽게 실현 가능한 실험에서 관찰할 수 있습니다(그림 1).

스파크 갭 F의 크기는 변압기 T와 커패시터 C로 구성된 회로에서 스파크가 어렵게(1분에 1~2회) 빠져나가는 방식으로 선택됩니다. 순수 아연으로 만들어진 전극 F가 수은 램프 Hg의 빛으로 조명되면 커패시터의 방전이 크게 촉진됩니다. 스파크가 점프하기 시작합니다. 1. Hertz의 실험 계획.

광전 효과는 1905년 알베르트 아인슈타인(1921년 노벨상 수상)이 빛의 양자 성질에 관한 막스 플랑크의 가설을 바탕으로 설명했습니다. 아인슈타인의 연구에는 중요한 새로운 가설이 포함되어 있습니다. 플랑크가 빛이 양자화된 부분으로만 방출된다고 제안했다면 아인슈타인은 이미 빛이 양자 부분의 형태로만 존재한다고 믿었다는 것입니다. 빛을 입자(광자)로 생각하면 아인슈타인의 광전 효과 공식은 다음과 같습니다.

방출된 전자의 운동 에너지는 어디에 있고, 주어진 물질에 대한 일 함수는 입사광의 주파수이며, 플랑크 상수는 흑체 방사선에 대한 플랑크의 공식과 정확히 같은 것으로 밝혀졌습니다.

이 공식은 광전 효과의 적색 경계가 존재함을 의미합니다. 따라서 광전 효과에 대한 연구는 최초의 양자 역학 연구 중 하나였습니다.

스톨레토프의 법칙

처음으로(1888~1890) 러시아 물리학자 A.G. Stoletov는 근본적으로 중요한 결과를 얻었습니다. 이전 연구자들과 달리 그는 전극 사이의 작은 전위차를 취했다. Stoletov의 실험 계획은 그림 1에 나와 있습니다. 2.

진공 상태에 있는 두 개의 전극(하나는 그리드 형태, 다른 하나는 평면)이 배터리에 부착됩니다. 회로에 연결된 전류계는 결과 전류를 측정하는 데 사용됩니다. 다양한 파장의 빛으로 음극을 조사함으로써 Stoletov는 자외선이 가장 효과적인 효과가 있다는 결론에 도달했습니다. 또한, 빛에 의해 생성된 전류의 세기는 빛의 세기에 정비례한다는 사실이 밝혀졌습니다.

1898년에 Lenard와 Thomson은 전기장과 자기장에서 전하를 편향시키는 방법을 사용하여 그림 1에서 방출된 하전 입자의 비전하를 결정했습니다. 2. Stoletov의 실험 계획.

음극에서 빛을 받아 다음 식을 받았다.

SGSE 단위 s/g는 알려진 전자의 특정 전하와 일치합니다. 빛의 영향으로 음극 물질에서 전자가 방출되었습니다.

얻은 결과를 요약하여 다음과 같이 설정되었습니다. 패턴광효과:

1. 빛의 스펙트럼 구성이 일정할 때 포화 광전류의 강도는 음극에 입사하는 광속에 정비례합니다.

2. 빛에 의해 방출된 전자의 초기 운동 에너지는 빛의 주파수가 증가함에 따라 선형적으로 증가하며 강도에 의존하지 않습니다.

3. 빛의 주파수가 각 금속의 특정 값, 즉 적색 한계보다 작으면 광전 효과가 발생하지 않습니다.

광전효과의 첫 번째 규칙성과 광전효과 자체의 발생은 고전물리학 법칙을 바탕으로 쉽게 설명할 수 있습니다. 실제로 금속 내부의 전자에 작용하는 광장은 진동을 자극합니다. 강제 진동의 진폭은 전자가 금속을 떠나는 값에 도달할 수 있습니다. 그러면 광전 효과가 관찰됩니다.

고전 이론에 따르면 빛의 강도는 전기 벡터의 제곱에 정비례하기 때문에 방출되는 전자의 수는 빛의 강도가 증가함에 따라 증가합니다.

광전 효과의 두 번째 및 세 번째 법칙은 고전 물리학의 법칙으로 설명되지 않습니다.

금속에 단색광의 흐름을 조사할 때 발생하는 광전류(그림 3)의 전극 간 전위차에 대한 의존성을 연구함으로써(이러한 의존성을 일반적으로 광전류의 볼트-암페어 특성이라고 함), 1) 광전류는 다음과 같이 발생합니다. 2) 광전류는 0부터 특정 금속에 대해 엄격하게 정의된 음의 전위차, 즉 지연 전위까지 다릅니다. 3) 차단(지연) 전위의 크기는 입사광의 강도에 의존하지 않습니다. 4) 지연 전위의 절대값이 감소함에 따라 광전류가 증가합니다. 5) 광전류의 크기는 증가함에 따라 증가하고 특정 값부터 광전류(소위 포화 전류)가 일정해집니다. 6) 입사광의 강도가 증가함에 따라 포화 전류의 크기가 증가합니다. 7) 지연값 그림. 3. 특징

전위는 입사광의 주파수에 따라 달라집니다. 광전류

8) 빛의 영향으로 방출되는 전자의 속도는 빛의 강도에 의존하지 않고 주파수에만 의존합니다.

아인슈타인의 방정식

광전 효과 현상과 그 모든 법칙은 빛의 양자 특성을 확인하는 빛의 양자 이론을 사용하여 잘 설명됩니다.

이미 언급한 바와 같이, 플랑크의 양자 이론을 발전시킨 아인슈타인(1905)은 복사와 흡수뿐 아니라 빛의 전파도 부분(양자)에서 발생한다는 생각을 제시했는데, 그 에너지와 운동량은 다음과 같습니다.

파동 벡터를 따라 향하는 단위 벡터는 어디에 있습니까? 아인슈타인은 금속의 광전 효과 현상에 에너지 보존 법칙을 적용하여 다음 공식을 제안했습니다.

, (1)

는 금속에서 나온 전자의 일함수이고, 는 광전자의 속도입니다. 아인슈타인에 따르면, 각 양자는 단 하나의 전자에 의해서만 흡수되며 입사 광자의 에너지 중 일부는 금속 전자의 일함수를 수행하는 데 소비되고 나머지 부분은 전자에 운동 에너지를 전달합니다.

(1)에서 다음과 같이 금속의 광전 효과는 에서만 발생할 수 있습니다. 그렇지 않으면 광자 에너지가 금속에서 전자를 떼어 내기에 충분하지 않습니다. 광전 효과가 발생하는 영향을 받는 빛의 가장 낮은 주파수는 분명히 다음 조건으로부터 결정됩니다.

조건 (2)에 의해 결정된 빛의 주파수를 광전 효과의 "적색 한계"라고 합니다. "빨간색"이라는 단어는 광전 효과가 발생하는 빛의 색상과는 아무런 관련이 없습니다. 금속의 종류에 따라 광전 효과의 "빨간색 가장자리"는 빨간색, 노란색, 보라색, 자외선 등에 해당할 수 있습니다.

아인슈타인의 공식을 사용하면 광전 효과의 다른 규칙성을 설명할 수 있습니다.

즉, 양극과 음극 사이에 제동 전위가 있다고 가정해 보겠습니다. 전자의 운동 에너지가 충분하면 제동 장을 극복하여 광전류를 생성합니다. 조건을 만족하는 전자는 광전류에 참여합니다. . 지연 전위의 크기는 다음 조건에 따라 결정됩니다.

, (3)

방출된 전자의 최대 속도는 어디에 있는가? 쌀. 4.

(3)을 (1)에 대입하면 다음을 얻습니다.

따라서 지연 전위의 크기는 강도에 의존하지 않고 입사광의 주파수에만 의존합니다.

금속에서 나온 전자의 일함수와 플랑크 상수는 입사광의 주파수에 대한 의존성을 플로팅하여 결정할 수 있습니다(그림 4). 보시다시피, 잠재 축에서 잘라낸 세그먼트는 .

빛의 세기는 광자의 수에 정비례하기 때문에 입사되는 빛의 세기가 증가하면 방출되는 전자의 수가 증가합니다. 즉, 광전류가 증가합니다.

비금속의 광전 효과에 대한 아인슈타인의 공식은 다음과 같은 형식을 갖습니다.

.

비금속 내부의 원자에서 결합된 전자를 제거하는 작업이 존재하는 것은 자유 전자가 있는 금속과 달리 비금속에서는 전자가 원자에 결합된 상태에 있다는 사실로 설명됩니다. 분명히 빛이 비금속에 떨어지면 빛 에너지의 일부는 원자의 광전 효과, 즉 원자에서 전자를 분리하는 데 소비되고 나머지 부분은 전자의 일 함수에 소비되어 전자에 대한 운동 에너지.

전도 전자는 상당한 양의 금속을 자발적으로 떠나지 않습니다. 이는 금속이 잠재적인 구멍을 나타낸다는 사실로 설명됩니다. 표면에 존재하는 전위 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 가진 전자만이 금속을 떠날 수 있습니다. 이 장벽을 일으키는 힘의 근원은 다음과 같습니다. 격자의 양이온 바깥층에서 전자가 무작위로 제거되면 전자가 떠난 자리에 과도한 양전하가 나타납니다. 이 전하와의 쿨롱 상호작용으로 인해 속도가 그리 높지 않은 전자가 되돌아오게 됩니다. 따라서 개별 전자는 지속적으로 금속 표면을 떠나 여러 원자 간 거리를 이동한 다음 다시 돌아옵니다. 결과적으로 금속은 얇은 전자 구름으로 둘러싸여 있습니다. 이 구름은 이온의 바깥층과 함께 이중 전기층을 형성합니다(그림 5; 원은 이온, 검은 점은 전자). 이러한 층에서 전자에 작용하는 힘은 금속으로 향하게 됩니다. 금속에서 외부로 전자를 이동할 때 이러한 힘에 대항하여 수행되는 작업은 전자의 위치 에너지를 증가시킵니다(그림 5).

따라서 금속 내부의 원자가 전자의 위치 에너지는 전위 우물의 깊이와 동일한 양만큼 금속 외부보다 작습니다(그림 6). 에너지 변화는 몇 개의 원자 간 거리 정도의 길이에 걸쳐 발생하므로 우물의 벽은 수직으로 간주될 수 있습니다.

전자 퍼텐셜 에너지 그림. 6.

전자가 위치한 지점의 전위는 반대 부호를 갖습니다. 따라서 금속 내부의 전위는 금속 표면 바로 근처의 전위보다 일정량 더 큽니다.

금속에 과도한 양전하를 부여하면 금속 표면과 내부 모두에서 전위가 증가합니다. 그에 따라 전자의 위치 에너지가 감소합니다 (그림 7, a).

무한대의 위치에너지와 위치에너지 값을 기준점으로 삼는다. 음전하의 메시지는 금속 내부와 외부의 전위를 낮춥니다. 따라서 전자의 위치 에너지가 증가합니다 (그림 7, b).

금속에서 전자의 총 에너지는 위치 에너지와 운동 에너지로 구성됩니다. 절대 영도에서 전도 전자의 운동 에너지 값은 0에서 페르미 준위와 일치하는 에너지 준위까지의 범위입니다. 그림에서. 도 8에서 전도대의 에너지 준위는 전위 우물에 새겨져 있다(점선은 0K에서 비어 있는 준위를 나타냄). 금속에서 제거되려면 서로 다른 전자에 서로 다른 에너지를 부여해야 합니다. 따라서 전도대의 가장 낮은 수준에 위치한 전자에는 에너지가 주어져야 합니다. 페르미 준위에 위치한 전자의 경우 에너지가 충분합니다. .

고체 또는 액체체에서 진공 상태로 전자를 제거하기 위해 전자에 부여되어야 하는 최소 에너지를 작업 기능.금속에서 전자의 일함수는 다음 식에 의해 결정됩니다.

우리는 금속의 온도가 0K라는 가정하에 이 식을 얻었습니다. 다른 온도에서 일함수는 전위 우물의 깊이와 페르미 준위 사이의 차이로도 정의됩니다. 즉, 정의(4)는 모든 온도로 확장됩니다. 동일한 정의가 반도체에도 적용됩니다.

페르미 레벨은 온도에 따라 달라집니다. 또한, 열팽창으로 인한 원자 사이의 평균 거리 변화로 인해 전위 우물의 깊이도 조금씩 변화합니다. 이로 인해 일함수는 온도에 약간 의존하게 됩니다.

일함수는 금속 표면의 상태, 특히 청결도에 매우 민감합니다. 그림을 올바르게 선택하면 8.

표면 코팅을 하면 일함수가 크게 감소할 수 있습니다. 예를 들어, 텅스텐 표면에 알칼리 토금속 산화물(Ca, Sr, Ba) 층을 적용하면 일함수가 4.5eV(순수 W의 경우)에서 1.5~2eV로 감소합니다.

내부 광전 효과

위에서 우리는 물질의 조명된 표면에서 전자가 방출되고 다른 매체, 특히 진공으로의 전이에 대해 이야기했습니다. 이러한 전자 방출을 광전자 방출, 그리고 현상 자체 외부 광효과.이와 함께 이른바 내부 광전 효과, 외부 전자와 달리 광학적으로 여기 된 전자는 후자의 중성을 위반하지 않고 조명 본체 내부에 남아 있습니다. 이 경우 물질의 전하 운반체 농도 또는 이동도가 변경되어 물질에 입사되는 빛의 영향으로 물질의 전기적 특성이 변경됩니다. 내부 광전 효과는 반도체와 유전체에만 내재되어 있습니다. 특히 조명을 받을 때 균일한 반도체의 전도도 변화를 통해 감지할 수 있습니다. 이 현상을 바탕으로 - 광전도성대규모 수광기 그룹이 생성되었으며 지속적으로 개선되고 있습니다. 포토레지스터. 그들은 주로 카드뮴 셀렌화물과 황화물을 사용합니다.

불균일 반도체에서는 전도도의 변화와 함께 전위차의 형성도 관찰됩니다(사진-EMF). 이 현상(광갈바닉 효과)은 반도체 전도도의 균질성으로 인해 음전하를 운반하는 광학적으로 여기된 전자와 반도체에서 발생하는 마이크로존(정공)의 도체 부피 내에 공간적 분리가 있다는 사실에 기인합니다. 전자가 떨어져 나온 원자 바로 근처에 있으며 양의 기본 전하를 운반하는 입자와 같습니다. 전자와 정공은 반도체의 서로 다른 끝 부분에 집중되어 결과적으로 기전력이 발생하고 이로 인해 외부 EMF를 적용하지 않고도 생성됩니다. 조명된 반도체와 병렬로 연결된 부하의 전류. 이러한 방식으로 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환합니다. 이러한 이유로 광전지 수광기는 광 신호를 기록하는 데뿐만 아니라 전기 회로에서 전기 에너지원으로 사용됩니다.

이러한 수신기의 주요 산업 생산 유형은 셀레늄과 황화은을 기반으로 합니다. 실리콘, 게르마늄 및 GaAs, InSb, CdTe 등의 여러 화합물도 매우 일반적입니다. 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데 사용되는 광전지는 온보드 전력 공급원으로 우주 탐사에서 특히 널리 보급되었습니다. 상대적으로 높은 효율(최대 20%)을 가지며 우주선의 자율 비행 조건에서 매우 편리합니다. 현대 태양전지에서는 반도체 재료에 따라 사진-EMF가 달라집니다. 1 - 2V에 도달하고 수십 밀리암페어에서 전류 픽업이 이루어지며 질량 1kg당 출력 전력은 수백 와트에 이릅니다.

흑체의 열복사 문제를 훌륭하게 해결한 플랑크의 가설은 광전효과를 설명하는 데 있어 확증되고 발전되었으며, 광전효과의 발견과 연구는 양자이론의 발전에 중요한 역할을 했다. 1887년 G. Hertz는 음극에 자외선을 조사하면 전극 사이의 방전이 더 낮은 전압에서 발생한다는 사실을 발견했습니다. 이 현상은 V. Galvaks(1888)와 A.G. Stoletov (1888-1890), 빛의 영향으로 전극에서 음전하가 빠져 나가는 현상. 전자는 아직 발견되지 않았습니다. 1898년이 되어서야 J.J. Thompson과 F. Leonard는 신체에서 방출되는 입자의 비전하를 측정하여 이것이 전자라는 것을 확인했습니다.

외부, 내부, 게이트 및 다광자 광효과가 있습니다.

외부 광효과 전자기 복사의 영향을 받아 물질이 전자를 방출하는 것입니다. 외부 광효과고체(금속, 반도체, 유전체)뿐만 아니라 개별 원자 및 분자의 기체(광이온화)에서도 관찰됩니다.

내부 광전 효과 – 이는 전자기 복사에 의해 반도체 또는 유전체 내부의 전자가 외부로 빠져나가지 않고 속박 상태에서 자유 상태로 전이되는 것입니다. 결과적으로 신체 내부의 전류 운반체 농도가 증가하여 광전도성(조명 시 반도체 또는 유전체의 전기 전도도 증가) 또는 기전력(EMF)이 나타납니다.

밸브 광효과 내부 광전 효과의 일종입니다. 이는 두 개의 서로 다른 반도체 또는 반도체와 금속의 접촉을 조명할 때(외부 전기장이 없는 경우) EMF(광기전력)가 발생하는 것입니다. 밸브 광전 효과는 태양 에너지를 전기 에너지로 직접 변환할 수 있는 길을 열어줍니다.

다광자 광전 효과 빛의 강도가 매우 높은 경우(예: 레이저 빔을 사용하는 경우) 가능합니다. 이 경우 금속에서 방출된 전자는 하나가 아닌 여러 광자로부터 동시에 에너지를 받을 수 있습니다.

광전 효과에 대한 최초의 기초 연구는 러시아 과학자 A.G. Stoletov. 광전 효과를 연구하기 위한 개략도가 그림 1에 나와 있습니다. 2.1.

	쌀. 2.1	쌀. 2.2

2개의 전극(음극 에게연구중인 재료와 양극에서 ㅏ, Stoletov가 금속 메쉬를 사용한 진공관)은 전위차계를 사용하여 배터리에 연결됩니다. 아르 자형값뿐만 아니라 적용되는 전압의 부호도 변경할 수 있습니다. 음극에 단색광(석영 유리를 통해)이 비춰질 때 생성되는 전류는 회로에 연결된 밀리암미터로 측정됩니다.

1899년에 J. J. 톰슨(J. J. Thompson)과 F. 레나드(F. Lenard)는 광전 효과에서 빛이 물질에서 전자를 떨어뜨린다는 것을 증명했습니다.

광전 효과의 전류-전압 특성(볼트-암페어 특성) – 광전류 의존성 나는 전압으로부터 전자의 흐름에 의해 형성되며 그림 1에 나와 있습니다. 2.2.

이러한 의존성은 두 가지 서로 다른 음극 방사조도에 해당합니다(광 주파수는 두 경우 모두 동일함). 증가할수록 유광전류는 점차 증가합니다. 점점 더 많은 수의 광전자가 양극에 도달합니다. 곡선의 평평한 특성은 전자가 음극에서 서로 다른 속도로 방출된다는 것을 보여줍니다.

최대값 포화 광전류이 전압 값에 의해 결정됩니다 유, 음극에서 방출된 모든 전자가 양극에 도달하는 경우:

어디 N- 1초 동안 음극에서 방출된 전자의 수.

전류-전압 특성으로부터 다음과 같습니다. 유= 0 광전류는 사라지지 않습니다. 결과적으로, 음극에서 빠져나온 전자는 특정 초기 속도 υ를 가지므로 운동 에너지가 0이 아니므로 외부 장 없이 음극에 도달할 수 있습니다. 광전류가 0이 되려면 다음을 적용해야합니다. 유지 전압 . 음극을 떠날 때 최대 속도를 가진 전자라도 지연 장을 극복하고 양극에 도달할 수 없는 전자가 없을 때. 따라서,

사진 효과(PHOTO EFFECT)는 전자기 복사의 영향으로 원자 내 결합에서 고체의 전자 방출과 관련된 현상 그룹입니다. 1) 외부 광전 효과 또는 광전자 방출, 표면에서 전자 방출... ... 현대 백과사전

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전기의 영향으로 공기 중에 전자가 방출되는 현상입니다. 잡지. 방사능. F.는 1887년에 문을 열었습니다. 물리학자 G. 헤르츠. 첫 번째 자금. F.의 연구는 A. G. Stoletov (1888)와 독일인에 의해 수행되었습니다. 물리학자 F. Lenard (1899). 첫 번째는 이론적입니다. 법에 대한 설명... 물리적 백과사전

명사, 동의어수 : 2사진효과(1)효과(29) ASIS 동의어 사전입니다. V.N. 트리신. 2013년… 동의어 사전

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ㅏ; m.물리학. 빛 에너지의 영향으로 물질의 특성 변화; 광전 효과. * * * 광전 효과는 전자기 복사의 영향으로 고체(또는 액체)에서 전자가 방출되는 현상입니다. 구별하다:... ... 백과사전

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- (사진 참조... + 영향) 물리적. 전자기 복사(빛, 자외선, 엑스레이 및 기타 광선)의 영향을 받는 물질의 전기적 특성의 변화, 예를 들어 빛의 영향을 받아 외부로 전자가 방출(외부 f.), 변화 . .. ... 러시아어 외국어 사전

서적

• , 추신 타르타코프스키. 1940년판(GITTL 출판사)의 원저자의 철자법으로 재현되었습니다. 안에…
• 유전체의 내부 광전 효과, P.S. 타르타코프스키. 이 책은 주문형 인쇄 기술을 사용하여 귀하의 주문에 따라 제작됩니다. 1940년 판(GITTL 출판사...)을 원저자의 철자로 재현했습니다.