1.1 Legile efectului fotoelectric
1.2 Explicarea efectului fotoelectric legilor
Capitolul al II-lea. Descrierea experienței de laborator
2.1 Tabele, diagrame
Capitolul III. Fenomenul Aplicație PhotoEffect extern
Referințe
Fizica joaca un rol foarte important în știința modernă, în dezvoltarea tehnologiei moderne și toate sectoarele economiei. Ea determină valoarea cursului de fizica în programele de liceu. Scopul cursului fizicii să se familiarizeze cu fenomenele fizice de bază și mecanismele lor, legi și aplicații practice. Aceasta a pus bazele pentru studiul disciplinelor tehnice generale și speciale fizice. înțelegerea corectă a naturii fenomenelor fizice este deosebit de important în formularea de noi întrebări care apar în cursul de inginerie practică.
Studiul fizicii ajuta pentru a forma o viziune asupra lumii materialist dialectic corectă.
Rolul atelierului fizic este foarte mare, deoarece în mediul de laborator studentul poate reproduce fenomenul și examina. Pentru a studia fenomenul studentului folosește instrumente staționare complexe, avansuri ipoteze științifice pentru a explica fenomenul, conchide.
Instrucțiuni metodice pentru efectuarea lucrărilor de laborator „Studiul fenomenelor efectului fotoelectric extern“ ilumina dezvoltarea ideilor care au dus la realizarea inadecvarea fizicii clasice pentru a descrie comportamentul obiectelor microscopice, este furnizat la explicarea fenomenelor asociate cu acțiunea luminii în termenii teoriei cuantice. Partea teoretică se ocupă cu legile efectului fotoelectric și să le aplice la proiectarea dispozitivelor optice. Metoda de lucru practică se permite să verifice valabilitatea PhotoEffect de regularități și caracteristicile de construcție a modelelor grafice. [5]
Obiectiv: Pentru a studia fenomenul de studiu fotoemisie pe exemplul caracteristicilor de bază ale celulelor solare:
· Un studiu experimental a legilor de bază ale efectului fotoelectric;
· Determinarea constanta lui Planck;
· Determinarea funcției de lucru de electroni și pragul fotoelectric.
CAPITOLUL I. Descoperirea STADIUL a fenomenului de fotoemisie
In 1887, H. Hertz a descoperit că în cazul în direct la electrodul negativ al radiațiilor ultraviolete parascântei, descărcarea electrică are loc la o tensiune mai mică între electrozi decât în absența iluminării. Hertz nu a putut să dea o explicație corectă a acestui fenomen. Experimentele de Hallwachs și cercetări deosebit de riguroase A. G. Stoletova. realizat în 1888 - 1889 ani. a permis să înțeleagă esența fenomenelor detectate Hertz: aceasta este cauzată de lumina bate sarcini negative ale descărcătorului catod metalic. Ulterior măsoară încărcătura specifică a particulelor a arătat că acestea sunt electroni. [1] Fenomenul de electroni de aliniere a solidelor și lichidelor prin lumină numit efect fotoelectric extern și, astfel, electronii sunt scoase numite uneori fotoelectroni.
Pentru a studia efectul fotoelectric Stoletov colecta diagrama următoare (figura 1). In placa de metal Schema K (fotocatodul) este conectat la polul negativ al bateriei.
Graficul din figura 2, și arată că, la o anumită valoare a tensiunii U fotocurentul atinge o valoare maximă și apoi rămâne constantă la orice valoare. Acest lucru înseamnă că toți electronii din fotocatod vede lumina, ajunge la anod. Curentul maxim este numit curentul de saturație pentru un anumit flux luminos F. Dacă modificarea valorii fluxului luminos F, vom obține familia de curbe pentru fotocatod (2b). [2,8]
Polul pozitiv este conectat prin metal galvanometru cu ochiuri A (anod). Ambii electrozi sunt într-un vas de sticlă, din care este evacuat aerul. Când luminat de un catod (placă K) curent de lumină apare în circuit, care este înregistrată galvanometru. Acest curent este numit fotocurentul, în timp ce electronii, vede lumina de la catod, - fotoelectronilor. Fotocurentul este o mișcare spre anod, electronii emergente din fluxul luminos catod. [6]
1.1 Legile photoemission
Stoletov investigat dependența fotocurentului de tensiunea aplicată între anod și catod. În generalizării datele obținute set Stoletov trei legi ale photoemission.
I. La o frecvență fixă a incidentului lumina numărul de fotoelectroni eliberat de catod pe unitatea de timp este proporțională cu intensitatea luminii (saturație putere proporțională curent la catod iradianță Ee).
II. Viteza maximă inițială (energia cinetică inițială maximă) nu depinde de intensitatea luminii incidente fotoelectronilor, și este determinată numai de frecvență n sale
III. Pentru fiecare substanță, există marginea roșie a efectului fotoelectric, adică, lumina frecvență minimă (în funcție de natura chimică a substanței și starea suprafeței sale), sub care efectul fotoelectric este imposibilă. [9]
1.2 Explicarea Legii photoemission
Legile derivat experimental al efectului fotoelectric nu a putut fi explicat pe baza teoriei undelor electromagnetice de lumină. Din punctul de vedere al teoriei undelor electromagnetice, ajungând la suprafața metalică, cauza vibrațiilor forțată de electroni le iau din metal. Dar, atunci este nevoie de timp pentru „leagăn“ de electroni, și metal lumină scăzută ar trebui să fie o întârziere vizibilă între începutul iluminatului și punctul de emisie de electroni. Mai mult, energia cinetică a electronilor care părăsesc metalul, trebuie să depindă de amplitudinea forței interesante și, prin urmare, intensitatea câmpului electric în unda electromagnetică. Cu toate acestea, aceste constatări contrazic legea efectului fotoelectric. Soluția a fost găsită de Albert Einstein în 1905. Din motive complet diferite. Legile efectului fotoelectric nu este posibil să fie explicate prin legile fizicii clasice, pe care le-am acoperit până acum. Pentru a le explica, Einstein în 1905 a folosit ideea, exprimată anterior de fizicianul german Max Planck, potrivit care lumina - un flux de particule, fotoni. Energia E a fiecărui foton, numit un cuantum, egal cu:
n- unde frecvența luminii și h - coeficientul, denumit constanta Planck și egal cu 6,63. 10 -34 J. P.
Einstein a propus ca fotonul poate șterge suprafața cu un singur electron și un electron pentru a scăpa de substanță, este necesar să se efectueze munca AO de ieșire. Apoi, legea de conservare a energiei au indicat faptul că efectul fotoelectric energiei fotonice h n trebuie să fie egală cu valoarea de ieșire de lucru AO și energia cinetică a fotoelectron cu o viteză v și masa m:
Ecuația (1.2), explicând toate legile efectului fotoelectric, numita ecuatia lui Einstein pentru efectul fotoelectric. Cei mai mulți fotoni, cu atât mai mult bat fotoelectronilor. Aceasta este explicația legii efectului fotoelectric №1. Conform (1.2), energia cinetică a fotoelectronilor este direct proporțională cu frecvența luminii și nu depinde de intensitatea sa, ceea ce explică legea efectului fotoelectric №2. Din ecuația (1.2) că fotoelectron este necesară pentru a face munca de ieșire AO. și lumină cu o frecvență mai mică de Lmin = AO / h, nu va determina efectul fotoelectric, ceea ce explică legea efectului fotoelectric №3. [8,10]
CAPITOLUL II. Experimentele de laborator DESCRIERE
Instalația constă dintr-un universal-4 monocromator PA, ampermetru F195, voltmetru fotocelula antimoniu vacuum-DC cesiu (SEC), surse de alimentare HPR-24-2 IET. Lumina pe celula solara curge prin porțiunea sa transparentă.
Cei doi electrozi într-un tub cu vid conectat la o baterie, astfel încât un potențiometru R nu se poate schimba doar valoarea și semnul tensiunii aplicate acestora. Actualul originar din iluminarea catodului cu lumină monocromatică (printr-o fereastră de cuarț), milliammeter măsurat inclus în circuit. [11]
2.2 TABELE ȘI GRAFICE
Tabel. №1. Îndepărtarea de tensiune înainte de ramură fotoelemente caracteristică.
Intensitatea efectului fotoelectric depinde de lungimea de undă a luminii incidente. La aceeași putere puterea de radiație a curentului de saturație vor fi diferite pentru diferite lungimi de undă l. Sensibilitate dependență fotoelemente pe lungimea de undă de lumină incidente se numește caracteristicile sale spectrale. [4] constantă PhotoEffect spectrală Planck
Funcția de lucru - diferența dintre energia minimă care trebuie să fie împărtășită un electron de îndepărtare „imediată“ a volumului corpului solid. Aici „imediat“ înseamnă că un electron este îndepărtat din solidul prin această suprafață și este mutat într-un punct care se află destul de departe de suprafață. În același timp neglijarea lucrărilor suplimentare care trebuie să fie cheltuite pentru a depăși câmpurile externe generate datorită redistribuirea taxelor de suprafață. Astfel, funcția de lucru pentru una și aceeași substanță este diferită pentru suprafețe diferite. [7,8]
La scoaterea unui electron la infinit interacțiunea cu taxele rămase în interiorul corpului solid conduce la inducerea taxelor de suprafață macroscopice (atunci când se analizează o probă de semi-infinit în electrostatics se numește „taxa de imagine“). Când se deplasează în electroni încărcarea indusă de câmp se face o muncă suplimentară, care este determinat prin pronitsaemostyuveschestva dielectric, geometria eșantionului și proprietățile altor suprafețe. Ca urmare, performanța generală a mișcării electronilor din orice punct de eșantionare la orice alt punct (inclusiv punctul de infinit) nu depinde de calea de deplasare, adică, la suprafață, prin care a fost îndepărtată electron. Prin urmare, în fizica stării solide, această lucrare nu este inclusă și care nu sunt incluse în funcția de muncă. [1,2]
Funcția de lucru a efectului fotoelectric extern - energia minimă necesară pentru a elimina un electron dintr-o substanță atunci când este expusă la lumină.
Funcția de lucru de electroni este egal cu 1,66 eV. este de 750 nm.
Ca rezultat al electronilor de iradiere ejectate din electrod, se poate ajunge la electrodul contor și să stabilească unele inițial de curent. Odată cu creșterea tensiunii, câmp accelerează electronii și curentul crește, ajungând la saturarea la care toți electronii ejectate ajung la anod.
Dacă aplicăm tensiunea inversă, electronii sunt decelerat și scade actuale. În așa-numita tensiune de blocare fotocurentul este oprit. Conform legii de conservare a energiei:
unde masa m- a electronului și Hmax - viteza maximă a fotoelectron.
Tabel. № 4. Tensiunea de demontare de blocare în funcție de frecvența n.
Odată cu creșterea tensiunii, câmp accelerează electronii și curentul crește, ajungând la saturarea la care toți electronii ejectate ajung la anod.
Dacă aplicăm tensiunea inversă, electronii sunt decelerat și scade actuale. În așa-numita tensiune de blocare fotocurentul este oprit. Conform legii conservării energiei. unde masa m- a electronului și Hmax - viteza maximă a fotoelectron. [3]
constanta lui Planck - constanta a coeficientului principal teoriei cuantice privind amploarea radiației electromagnetice cu energia fotonica și frecvența, precum și valoarea generală a cuante de energie a unui sistem fizic oscilant liniar cu frecvența. Planck menționat pentru prima dată în lucrare, dedicată radiații termice, numită astfel după el. [5]
Valorile constantei Planck derivată teoretic și un experimental aproximativ egal.
Capitolul III. EFECTE Aplicarea de fotoemisie
Pe baza funcționării extern efectul fotoelectric al traductorului optică, (EOC) adaptat pentru a converti o imagine dintr-o regiune spectrală la alta, precum și pentru îmbunătățirea luminozității imaginilor. Accelerate si sa concentrat de un câmp electric electronii lovit ecranul de fosfor. Aici, imaginea electronică prin cathodoluminescence convertit înapoi în lumină.
În medicină, EOC este utilizat pentru a spori luminozitatea imaginii cu raze X, se poate reduce în mod semnificativ doza umană. [9]
În cazul în care semnalul de la EOC să prezinte o scanare a sistemului de televiziune de pe ecranul televizorului, puteți obține o „termică“ obiecte de imagine. părți ale corpului care au temperaturi diferite, de culoare diferite pe ecran sau atunci când o imagine color sau lumină, atunci când imaginea este alb-negru. Acest sistem tehnic numit imagine termică, se utilizează termografia.
Fotocelule folosind PhotoEffect extern, este transformată în energie electrică doar o mică parte din energia radiațiilor. Prin urmare, ca sursă de energie electrică nu este în uz, dar utilizate pe scară largă în diferite circuite de control automat pentru circuitele electrice cu fascicule de lumină.
Utilizarea fotocelule efectuat reproducerea sunetului înregistrat pe un film, și transmiterea de imagini în mișcare (TV).
Navigației aeriene în armata utilizate pe scară largă ca celulele solare, care sunt sensibile la razele infraroșii. raze infraroșii sunt invizibile pentru ei nori și ceață sunt transparente.
Combinația efectului fotoelectric cu o emisie de electroni secundar este aplicat fotomultiplicatori (PMTS): fascicul slab de fotoelectroni accelerate ratează un număr de catozilor, gofrarea fiecare dintre electroni secundari și avalanșă de amplificare. Amplificare 9 trepte fotomultiplicator ajunge la 106, adică ieșirea curentului fotomultiplicatorului într-un milion de ori mai mare decât fotocurentul primar. [9]
Pe fenomenul fotoelectrică de lucru pe bază de efect foto-rezistențe interne.
3. În semiconductori.
Efectul fotoelectric a fost aplicarea pe scară largă în practică. Dispozitivele care sunt bazate pe principiul de măsurare este efectul fotoelectric sunt numite celule solare. Fotocelule folosind PhotoEffect extern, transformă energia radiației în energie electrică doar parțial. Având în vedere că eficiența de conversie este mic, ca surse de alimentare nu folosesc celule solare, dar utilizarea lor în diferite circuite de control automat pentru circuitele electrice cu fascicule de lumină.
efectul fotoelectric intern este utilizat fotorezistoare. Valve efect fotoelectric care apar în celulele solare semiconductoare cu p-n joncțiune este utilizată pentru a converti direct energia radiațiilor în energie electrică (celule solare). Condiții prealabile pentru apariția particulei fotoeffekta- internă trebuie să fie conectate, iar energia fotonilor trebuie să fie mai mare decât energia de legare. efect fotoelectric intern poate avea loc în semiconductori și dielectrici (în metale, de asemenea).
Astfel, efectul fotoelectric - acest fenomen cu eliberarea de electroni a solidului prin expunerea la radiații electromagnetice.
· Saturație fotocurentul proporțională cu fluxul luminos;
· Efectul fotoelectric are un prag: atunci când lungimea de undă de radiație, a lmaks mai mari ( „roșu“ de frontieră), electronii sunt knock-out. Lmaks valoare independentă a fluxului luminos;
· O valoare energetică de electroni, cu o creștere a frecvenței luminii (scădere l) nu scade, dar crește. Mai mult decât atât, aceasta crește liniar.
Explicație proprietăți fotoelectrice din punct de vedere al fizicii cuantice aparține A. Einstein: absoarbe lumina parte (fotoni), și având o energie obtinerea foton numele.
Electronice dobândește energia cinetică nu treptată (accelerată de câmpul electric al undei), și imediat - ca rezultat al interacțiunii unui singur act. Fasciculul monocromatic de fotoni au aceeași energie HN. Creșterea intensității fasciculului este creșterea numărului de fotoni în fascicul, dar nu afectează energia lor, în cazul în care frecvența rămâne neschimbată. Dependența de tensiune retardare pe frecvența de radiație, așa cum am văzut, este o linie dreaptă a cărei pantă este determinată de valoarea constantei lui Planck.
Astfel, teoria fotonica adaugă proprietăți noi la proprietățile obișnuite ale luminii (difracție și polarizare). Ea nu are nevoie de renunțarea la idei vechi despre lume; aceasta necesită doar o combinație de concepte la conceptul de fotoni de unde electromagnetice.
Există, de asemenea, o mulțime de alte experimente, de asemenea, arată că acordul teoriei fotonului și experiment.
Investigat fenomenul de rupere lumina căutarea de electroni de pe suprafața metalică se numește un PhotoEffect extern. Dar, după cum sa dovedit, fotonii pot transfera energia lor pentru a separa de electroni sau shell atomic nucleon nucleul unui atom. Acest fenomen se numește un efect fotoelectric intern. Cerințe preliminare: particula trebuie să fie conectat, iar energia fotonului trebuie să fie mai mare decât energia de legare. efect fotoelectric intern poate avea loc în semiconductori și dielectrici (în metale, de asemenea).
Cu ajutorul legilor de conservare a energiei și de impuls se poate demonstra că fotonul poate fi absorbită de o particulă liberă. Intr-un metal, electronul interacționează cu atomii cu zăbrele. Prin urmare, la absorbția unui foton de către o parte a impulsului de fotoni de electroni poate fi transferat la zăbrele metalice.
REFERINȚE
2) Gevorkyan RG Shepel V. Curs de fizica generala. - Moscova Școala Superioară din 1968.
4) Savel'ev IV Curs de fizica generala. V.3. oraș Nauka.1973: MM
6) Tarasov LV Introducere în Optică Cuantică: Manualelor. manual pentru școli. Executive :. -M. săpt. 1987.