Viene chiamato un insieme di metodi per misurare la temperatura dei corpi basati sulle leggi della radiazione termica. Gli strumenti utilizzati per questo sono chiamati pirometri.
Questi metodi sono molto convenienti per misurare le temperature di vari oggetti, dove è difficile o addirittura impossibile utilizzare i sensori di contatto tradizionali. Ciò vale principalmente per la misurazione delle alte temperature.
Nella pirometria ottica si distinguono le seguenti temperature corporee: radiazione (quando la misurazione viene eseguita in un'ampia gamma di lunghezze d'onda), colore (quando in un intervallo ristretto - l'intervallo della luce visibile), luminosità (a una lunghezza d'onda).
1. Temperatura di radiazione T pag - è la temperatura di un corpo assolutamente nero alla quale la sua luminosità energetica R pari all'energia luminosità Rm dato corpo in un'ampia gamma di lunghezze d'onda.
Se, invece, misuriamo la potenza emessa da un certo corpo da una superficie unitaria in un intervallo di onde sufficientemente ampio e confrontiamo la sua magnitudine con l'energia luminosità di un corpo completamente nero, allora utilizzando la formula (11), possiamo calcolare la temperatura di questo corpo come
La temperatura determinata in questo modo Tp corrisponderà esattamente alla temperatura reale T solo se il corpo in esame è assolutamente nero.
Per un corpo grigio, la legge di Stefan-Boltzmann può essere scritta come
R m (T) = α TσT quattro ; dove α T< 1.
Sostituendo questa espressione nella formula (1) otteniamo
Per un corpo grigio, il valore della temperatura di radiazione risulta essere sottostimato ( Tp< T), cioè. la vera temperatura del corpo grigio è sempre superiore alla temperatura di radiazione.
2. Temperatura del colore T c - questa è la temperatura di un corpo assolutamente nero, alla quale le distribuzioni relative della densità spettrale della luminosità energetica di questo corpo e del corpo in esame sono il più vicine possibile nella regione visibile dello spettro.
Di solito, le lunghezze d'onda λ 1 = 655 nm (rosso), λ 2 = 470 nm (verde-blu) vengono scelte per determinare la temperatura del colore. La densità spettrale della luminosità energetica dei corpi grigi (o corpi vicini a loro nelle proprietà) con una precisione di coefficiente costante(coefficiente di assorbimento monocromatico) è proporzionale alla densità spettrale della luminosità energetica di un corpo nero. Di conseguenza, la distribuzione dell'energia nello spettro di un corpo grigio è la stessa che nello spettro di un corpo completamente nero alla stessa temperatura.
Per determinare la temperatura di un corpo grigio è sufficiente misurare la potenza Io (λ, T) irradiato da una superficie unitaria del corpo in un intervallo spettrale abbastanza ristretto (proporzionale a r (λ,T)), per due diverse onde. Atteggiamento Io (λ, T) per due lunghezze d'onda è uguale al rapporto delle dipendenze f(λ,T) per queste onde, la cui forma è data dalla formula (2) del paragrafo precedente:
(2)
Da questa equazione è possibile ricavare matematicamente la temperatura T. La temperatura così ottenuta si chiama temperatura di colore. La temperatura del colore del corpo, determinata dalla formula (2), corrisponderà a quella vera.
La vera temperatura del colore del corpo grigio può essere trovata anche dalla legge dello spostamento di Wien.
3. Temperatura di luminosità (Ti) un certo corpo è chiamato la temperatura di un corpo assolutamente nero, alla quale la sua densità spettrale di luminosità energetica f (λ, T), per ogni particolare lunghezza d'onda, è uguale alla densità spettrale, luminosità energetica r (λ, T) di questo corpo per la stessa lunghezza d'onda.
Poiché per un corpo non nero la densità spettrale della luminosità energetica a una certa temperatura sarà sempre inferiore a quella di un corpo completamente nero, la vera temperatura del corpo sarà sempre superiore alla luminosità.
Utilizzato come pirometro di luminosità pirometro a filo a scomparsa. Il principio della determinazione della temperatura si basa su un confronto visivo della luminosità del filamento caldo della lampada pirometrica con la luminosità dell'immagine dell'oggetto in esame. L'uguaglianza di luminosità osservata attraverso un filtro di luce monocromatico (di solito le misurazioni vengono eseguite a una lunghezza d'onda λ = 660 nm), è determinato dalla scomparsa dell'immagine del filamento della lampada pirometrica sullo sfondo dell'immagine di un oggetto caldo. Il bagliore del filamento della lampada pirometrica è regolato da un reostato e la temperatura del filamento è determinata da una tabella o tabella di calibrazione.
Otteniamo, a seguito di misurazioni, l'uguaglianza delle luminosità del filamento del pirometro e dell'oggetto in esame e determiniamo la temperatura del filamento del pirometro dal grafico T1. Quindi, in base alla formula (3), possiamo scrivere:
f (λ,T 1)α 1 (λ,T 1) = f (λ ,T 2) a2 (λ, T2),
dove α1 (λ,T 1) e α2 (λ,T2) coefficienti di assorbimento monocromatico del materiale del filamento del pirometro e dell'oggetto in studio, rispettivamente. T1 e T2- temperature del filamento del pirometro e dell'oggetto. Come si può vedere da questa formula, l'uguaglianza delle temperature dell'oggetto e del filamento del pirometro sarà osservata solo quando saranno uguali ai loro coefficienti di assorbimento monocromatico nella regione osservata dello spettro α 1 (λ,T 1)= a2 (λ,T2). Se α 1 (λ,T 1)> a2 (λ,T2), otterremo un valore sottostimato della temperatura dell'oggetto, con un rapporto inverso - un valore di temperatura sovrastimato.
effetto fotoelettrico esterno chiamato il fenomeno dell'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'influenza di radiazioni elettromagnetiche. Effetto fotoelettrico interno chiamato il fenomeno della comparsa di elettroni liberi in una sostanza (semiconduttori) sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica Gli elettroni legati (o di valenza) diventano liberi (all'interno della sostanza). Di conseguenza, la resistenza della sostanza diminuisce.
Leggi dell'effetto fotoelettrico esterno:
1. Con una composizione spettrale costante della radiazione, l'intensità della corrente di saturazione (o il numero di fotoelettroni emessi dal catodo per unità di tempo) è direttamente proporzionale al flusso di radiazione incidente sul fotocatodo (intensità della radiazione).
2. Per un dato fotocatodo, la massima velocità iniziale dei fotoelettroni e, di conseguenza, la loro massima energia cinetica, è determinata dalla frequenza della radiazione e non dipende dalla sua intensità.
3. Per ogni sostanza c'è un bordo rosso dell'effetto fotoelettrico, cioè minima frequenza di radiazione ν 0 , in cui l'effetto fotoelettrico esterno è ancora possibile. Si noti che il valore ν 0 dipende dal materiale del fotocatodo e dallo stato della sua superficie.
La spiegazione dell'effetto fotoelettrico esterno dal punto di vista della teoria ondulatoria della luce contraddiceva i dati sperimentali. Secondo la teoria ondulatoria, sotto l'influenza del campo di un'onda elettromagnetica in un metallo, si verificano oscillazioni forzate di elettroni in un atomo con un'ampiezza maggiore, maggiore è l'ampiezza del vettore dell'intensità del campo elettrico dell'onda E o(e quindi l'intensità luminosa I~E o 2).
Di conseguenza, gli elettroni possono lasciare il metallo e uscirne, ad es. si può osservare un effetto fotoelettrico esterno. Maggiore dovrebbe essere la velocità degli elettroni emessi, cioè l'energia cinetica dei fotoelettroni deve dipendere dall'intensità della radiazione, che contraddice i dati sperimentali. Secondo questa teoria, la radiazione di qualsiasi frequenza, ma di intensità sufficientemente elevata, dovrebbe estrarre gli elettroni dal metallo, ad es. non dovrebbe esserci alcun bordo rosso dell'effetto fotoelettrico.
A. Einstein nel 1905 dimostrò che il fenomeno dell'effetto fotoelettrico e le sue leggi possono essere spiegate sulla base della teoria quantistica di M. Planck. Secondo Einstein, la luce (radiazione) con frequenza ν non solo viene emessa, come supponeva M. Planck, ma si propaga anche nello spazio e viene assorbita dalla materia in porzioni separate (quanta), la cui energia
E o = hν, (1)
dove h\u003d 6.626176 * 10 -34 J × s - costante di Planck,
Più tardi furono chiamati i quanti di radiazione fotoni. Secondo Einstein, ogni quanto è assorbito da un solo elettrone. Se l'energia quantistica è maggiore della funzione lavoro di un elettrone dal metallo, cioè hν >= A fuori, quindi l'elettrone può lasciare la superficie del metallo. Il resto dell'energia quantistica viene utilizzato per creare l'energia cinetica dell'elettrone che ha lasciato la sostanza. Se un elettrone viene rilasciato dalla radiazione non in superficie, ma a una certa profondità, parte dell'energia ricevuta può essere persa a causa di collisioni casuali di un elettrone in una sostanza e la sua energia cinetica sarà inferiore. Di conseguenza, l'energia del quanto di radiazione incidente sulla sostanza viene spesa per il lavoro svolto dall'elettrone e per la comunicazione di energia cinetica al fotoelettrone emesso.
La legge di conservazione dell'energia per un tale processo sarà espressa dall'uguaglianza
(2)
Questa equazione è chiamata Equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico esterno.
Segue direttamente dall'equazione di Einstein che l'energia cinetica massima o la velocità di un fotoelettrone dipende dalla frequenza di radiazione. Al diminuire della frequenza della radiazione, l'energia cinetica diminuisce e ad una certa frequenza può diventare uguale a zero. L'equazione di Einstein in questo caso avrà la forma
h ν 0 = A fuori.
La frequenza ν 0 corrispondente a questo rapporto avrà un valore minimo ed è il bordo rosso dell'effetto fotoelettrico. È chiaro da quest'ultimo che il confine rosso dell'effetto fotoelettrico è determinato dalla funzione di lavoro dell'elettrone e dipende da natura chimica materia e lo stato della sua superficie. La lunghezza d'onda corrispondente al bordo rosso dell'effetto fotoelettrico può essere calcolata dalla formula . Per hν< А вых фотоэффект прекращается. Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность вещества квантов излучения, а, следовательно, потоку излучения F.
Con l'invenzione dei laser sono state ottenute grandi potenze di radiazione, nel qual caso un elettrone può assorbirne due o più (N) fotoni (N = 2…7). Tale fenomeno è chiamato effetto fotoelettrico multifotone (non lineare). L'equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico multifotone ha la forma
In questo caso, il bordo rosso dell'effetto fotoelettrico può spostarsi verso lunghezze d'onda maggiori.
La natura della dipendenza della fotocorrente io dalla differenza di potenziale tra anodo e catodo U(caratteristica volt-ampere o CVC) a un flusso di radiazione costante al fotocatodo della radiazione monocromatica è mostrato in Fig. uno.
Esistenza di fotocorrente in tensione U=0 dovuto al fatto che i fotoelettroni emessi dal catodo ne hanno velocità iniziale e, di conseguenza, energia cinetica e, quindi, può raggiungere l'anodo senza un campo elettrico esterno. Man mano che il valore aumenta U(nel caso di un potenziale positivo all'anodo), la fotocorrente aumenta gradualmente, cioè tutto Di più i fotoelettroni raggiungono l'anodo.
La natura delicata di questa sezione della caratteristica corrente-tensione indica che gli elettroni volano fuori dal catodo a velocità diverse. Il valore massimo della fotocorrente, chiamato corrente di saturazione io noi, si ottiene a questo valore tu, in cui tutti gli elettroni emessi dal catodo vanno all'anodo. Significato io noi.è determinato dal numero di fotoelettroni emessi dal catodo per 1 sec e dipende dall'entità del flusso di radiazione incidente sul fotocatodo.
Se l'anodo ha un potenziale negativo, il campo elettrico risultante rallenta il movimento dei fotoelettroni. Ciò porta ad una diminuzione del numero di elettroni che raggiungono l'anodo e, di conseguenza, ad una diminuzione della fotocorrente. Il valore minimo della tensione di polarità negativa, al quale nessuno degli elettroni, pur avendo la velocità massima all'uscita dal catodo, può raggiungere l'anodo, cioè la fotocorrente diventa zero, si chiama tensione di ritardo U o .
Il valore della tensione di ritardo è correlato all'energia cinetica massima iniziale degli elettroni dalla relazione
Con questo in mente, l'equazione di Einstein può anche essere scritta nella forma
hν \u003d A out + eU 0 .
Se si modifica il valore del flusso di radiazione incidente sul catodo con la stessa composizione spettrale, le caratteristiche corrente-tensione avranno la forma mostrata in Fig. 2.
Se, a un valore costante del flusso di radiazione, la sua composizione spettrale viene modificata, ad es. frequenza di radiazione, allora le caratteristiche corrente-tensione cambieranno, come mostrato in Fig.3.
U0 0 U U 03 U 02 U 01 0 U
F 3 > F 2 > F 1 n = cost n 3 > n 2 > n 1 F = cost
Ha espresso un'ipotesi: la luce viene emessa e assorbita da porzioni separate - quanti (o fotoni). L'energia di ciascun fotone è determinata dalla formula E= h ν , dove h- Costante di Planck, pari a 6,63. 10 -34 J.s, ν è la frequenza della luce. L'ipotesi di Planck spiegava molti fenomeni: in particolare il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, scoperto nel 1887 dallo scienziato tedesco Heinrich Hertz e studiato sperimentalmente dallo scienziato russo A. G. Stoletov.
effetto fotoelettrico — Questo è il fenomeno dell'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'azione della luce.
Come risultato della ricerca, sono state stabilite tre leggi dell'effetto fotoelettrico:
1. L'intensità della corrente di saturazione è direttamente proporzionale all'intensità della radiazione luminosa che cade sulla superficie del corpo.
2. L'energia cinetica massima dei fotoelettroni aumenta linearmente con la frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità.
3. Se la frequenza della luce è inferiore a una certa frequenza minima definita per una data sostanza, allora l'effetto fotoelettrico non si verifica.
La dipendenza della fotocorrente dalla tensione è mostrata nella Figura 36.
La teoria dell'effetto fotoelettrico è stata creata dallo scienziato tedesco A. Einstein nel 1905. La teoria di Einstein si basa sul concetto della funzione lavoro degli elettroni da un metallo e sul concetto di emissione di luce quantistica. Secondo la teoria di Einstein, l'effetto fotoelettrico ha la seguente spiegazione: assorbendo un quanto di luce, un elettrone acquista energia hv. Quando si lascia un metallo, l'energia di ciascun elettrone diminuisce di una certa quantità, che viene chiamata funzione di lavoro(A fuori). La funzione lavoro è il lavoro necessario per rimuovere un elettrone da un metallo. L'energia massima degli elettroni dopo la partenza (se non ci sono altre perdite) è: mv 2/2 \u003d hv - A out, Questa equazione è chiamata equazione di Einstein .
Se una hν< E poi l'effetto fotoelettrico non si verifica. Significa, effetto foto bordo rossoè uguale a ν minimo = A fuori / h
Vengono chiamati dispositivi basati sul principio di funzionamento di cui è il fenomeno dell'effetto fotoelettrico elementi fotografici. Il dispositivo più semplice di questo tipo è una fotocellula a vuoto. Gli svantaggi di una tale fotocellula sono: bassa corrente, bassa sensibilità alle radiazioni a onde lunghe, difficoltà di fabbricazione, incapacità di utilizzo nei circuiti corrente alternata. Viene utilizzato in fotometria per misurare l'intensità della luce, luminosità, illuminamento, in cinematografia per la riproduzione del suono, nei fototelegrafi e fototelefoni, nella gestione dei processi produttivi.
Esistono fotocellule a semiconduttore in cui, sotto l'azione della luce, cambia la concentrazione dei portatori di corrente, sono utilizzate nel controllo automatico dei circuiti elettrici (ad esempio nei tornelli della metropolitana), nei circuiti a corrente alternata, come sorgenti di corrente non rinnovabili negli orologi, nei microcalcolatori, vengono testate le prime auto solari, vengono utilizzate pannelli solari sul satelliti artificiali Stazioni automatiche terrestri, interplanetarie e orbitali.
Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico è associato ai processi fotochimici che si verificano sotto l'azione della luce nei materiali fotografici.
Effetto fotoelettrico interno fu scoperto nel 1873 dall'americano W. Smith e dall'inglese J. May. Cioè, prima dell'effetto fotoelettrico esterno.
Per osservare l'effetto fotoelettrico interno in condizioni scolastiche, è possibile utilizzare un fotodiodo (da non confondere con un LED) o un vecchio transistor, che ha un cappuccio metallico accuratamente segato per aprire l'accesso alla luce a un cristallo semiconduttore. Se lo colleghi a un raddrizzatore ea un galvanometro, potrai osservare come, anche alla luce del giorno, la conducibilità del cristallo aumenti bruscamente. Tale conduzione è chiamata fotoconduttività.
Le leggi dell'effetto fotoelettrico interno sono molte più difficile delle leggi esterno, e non li considereremo qui. Tuttavia, notiamo che si basano sui concetti di valenza, livelli elettronici, ecc., A voi noti dalla chimica, e ci permettono di spiegare il verificarsi dell'effetto fotoelettrico nei semiconduttori.
L'effetto fotoelettrico esterno ha trovato applicazione nella tecnologia nella prima metà del XX secolo. È, ovviamente, la voce del cinema muto. La cellula fotoelettrica permette di rendere udibile il suono "fotografato" su pellicola. La luce di una comune lampada ha attraversato la colonna sonora del film, è cambiata e ha colpito la fotocellula (vedi foto). Più luce passa attraverso il binario, più forte è il suono nell'altoparlante. A natura inanimata L'effetto fotoelettrico esterno si manifesta da milioni di anni su scala planetaria. Potente radiazione solare, che colpisce atomi e molecole atmosfera terrestre, elimina loro gli elettroni, cioè ionizza gli strati superiori dell'atmosfera.
L'effetto fotoelettrico interno è attualmente utilizzato nella tecnologia molto più spesso di quello esterno. Ad esempio, trasforma la luce in corrente elettrica nelle celle fotovoltaiche e negli enormi pannelli solari nei veicoli spaziali. L'effetto fotoelettrico "funziona" in speciali dispositivi sensibili alla luce, come fotoresistenze, fotodiodi, fototransistor. Grazie a ciò è possibile contare i pezzi sul trasportatore o accendere e spegnere automaticamente vari meccanismi (fari, illuminazione stradale, apertura automatica delle porte, ecc.). Inoltre, grazie all'effetto fotoelettrico interno, è possibile convertire l'immagine in segnali elettrici e trasmetterla a distanza (televisione).
L'applicazione su larga scala dell'effetto fotoelettrico oggi è già costituita da centrali solari, nonché da progetti per la costruzione di nuove stazioni di questo tipo con una capacità fino a diverse centinaia di megawatt. Secondo gli esperti, nel 2020 fino al 20% dell'elettricità mondiale sarà prodotta dalla conversione fotovoltaica dell'energia solare sulla Terra e nello spazio.
(C) 2012. Liukina Tatyana Vitalievna (regione di Kemerovo, Leninsk-Kuznetsky)
1. La storia della scoperta dell'effetto fotoelettrico
2. Leggi di Stoletov
3. Equazione di Einstein
4. Effetto fotoelettrico interno
5. Applicazione del fenomeno dell'effetto fotoelettrico
introduzione
Numerosi fenomeni ottici sono stati coerentemente spiegati sulla base di idee sulla natura ondulatoria della luce. Tuttavia, tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo. Furono scoperti e studiati fenomeni come l'effetto fotoelettrico, i raggi X, l'effetto Compton, l'irraggiamento di atomi e molecole, l'irraggiamento termico ed altri, la cui spiegazione dal punto di vista ondulatorio si rivelò impossibile. Una spiegazione dei nuovi fatti sperimentali è stata ottenuta sulla base di idee corpuscolari sulla natura della luce. Si è verificata una situazione paradossale associata all'uso di modelli fisici completamente opposti di un'onda e di una particella per spiegare i fenomeni ottici. In alcuni fenomeni, la luce mostrava proprietà ondulatorie, in altri - corpuscolari.
Tra i vari fenomeni in cui si manifesta l'effetto della luce sulla materia, un posto importante è occupato da effetto fotoelettrico, cioè l'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'azione della luce. L'analisi di questo fenomeno ha portato all'idea dei quanti di luce e ha svolto un ruolo estremamente importante nello sviluppo dei moderni concetti teorici. Allo stesso tempo, l'effetto fotoelettrico viene utilizzato nelle fotocellule, che hanno ricevuto un'applicazione eccezionalmente ampia nei campi più diversi della scienza e della tecnologia e promettono prospettive ancora più ricche.
La storia della scoperta dell'effetto fotoelettrico
La scoperta dell'effetto fotoelettrico va attribuita al 1887, quando Hertz scoprì che illuminare sotto tensione con luce ultravioletta gli elettrodi dello spinterometro facilita la scintilla tra di essi.
Il fenomeno scoperto da Hertz può essere osservato nel seguente esperimento facilmente fattibile (Fig. 1).
Il valore dello spinterometro F è selezionato in modo tale che in un circuito costituito da un trasformatore T e un condensatore C, la scintilla salti con difficoltà (una o due volte al minuto). Se gli elettrodi F, di zinco puro, vengono illuminati con la luce di una lampada al mercurio Hg, allora la scarica del condensatore è notevolmente facilitata: inizia a saltare una scintilla. 1. Schema dell'esperimento di Hertz.
L'effetto fotoelettrico è stato spiegato nel 1905 da Albert Einstein (per il quale ha ricevuto premio Nobel) basato sull'ipotesi di Max Planck sulla natura quantistica della luce. Il lavoro di Einstein conteneva una nuova importante ipotesi: se Planck suggeriva che la luce viene emessa solo in porzioni quantizzate, allora Einstein credeva già che la luce esistesse solo sotto forma di porzioni quantistiche. Dal concetto di luce come particelle (fotoni), segue immediatamente la formula di Einstein per l'effetto fotoelettrico:
dove è l'energia cinetica dell'elettrone emesso, è la funzione lavoro per la data sostanza, è la frequenza della luce incidente, è la costante di Planck, che si è rivelata esattamente la stessa della formula di Planck per la radiazione del corpo nero.
Da questa formula segue l'esistenza del limite rosso dell'effetto fotoelettrico. Pertanto, gli studi sull'effetto fotoelettrico furono tra i primi studi di meccanica quantistica.
Le leggi di Stoletov
Per la prima volta (1888-1890), analizzando in dettaglio il fenomeno dell'effetto fotoelettrico, il fisico russo A.G. Stoletov ha ricevuto in linea di principio risultati importanti. A differenza dei ricercatori precedenti, ha preso una piccola differenza di potenziale tra gli elettrodi. Lo schema dell'esperimento di Stoletov è mostrato in fig. 2.
Due elettrodi (uno a forma di griglia, l'altro piatto), situati nel vuoto, sono fissati alla batteria. L'amperometro incluso nel circuito viene utilizzato per misurare la forza di corrente risultante. Irradiando il catodo con luce di varie lunghezze d'onda, Stoletov è giunto alla conclusione che i raggi ultravioletti hanno l'effetto più efficace. Inoltre, è stato riscontrato che l'intensità della corrente generata dall'azione della luce è direttamente proporzionale alla sua intensità.
Nel 1898, Lenard e Thomson, usando il metodo della deflessione della carica in elettrico e campi magnetici determinato la carica specifica delle particelle cariche espulse 2. Schema dell'esperimento di Stoletov.
luce dal catodo, e ha ricevuto l'espressione
Unità SGSE s/g, coincidente con la nota carica specifica dell'elettrone. Ne conseguì che sotto l'azione della luce gli elettroni vengono espulsi dal materiale del catodo.
Riassumendo i risultati ottenuti, i seguenti modelli effetto fotoelettrico:
1. Con una composizione spettrale costante della luce, l'intensità della fotocorrente di saturazione è direttamente proporzionale al flusso luminoso incidente sul catodo.
2. L'energia cinetica iniziale degli elettroni emessi dalla luce aumenta linearmente con la frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità.
3. L'effetto fotoelettrico non si verifica se la frequenza della luce è inferiore a un certo valore caratteristico di ciascun metallo, chiamato bordo rosso.
Il primo schema dell'effetto fotoelettrico, così come il verificarsi dell'effetto fotoelettrico stesso, può essere facilmente spiegato sulla base delle leggi della fisica classica. Infatti il campo luminoso, agendo sugli elettroni all'interno del metallo, ne eccita le oscillazioni. L'ampiezza delle oscillazioni forzate può raggiungere un valore tale per cui gli elettroni lasciano il metallo; quindi si osserva l'effetto fotoelettrico.
In considerazione del fatto che, secondo la teoria classica, l'intensità della luce è direttamente proporzionale al quadrato del vettore elettrico, il numero di elettroni emessi aumenta con l'aumentare dell'intensità della luce.
La seconda e la terza legge dell'effetto fotoelettrico non sono spiegate dalle leggi della fisica classica.
Studiando la dipendenza della fotocorrente (Fig. 3), che si verifica quando un metallo viene irradiato con un flusso di luce monocromatica, dalla differenza di potenziale tra gli elettrodi (tale dipendenza è solitamente chiamata caratteristica volt-ampere della fotocorrente), si è riscontrato che: 1) la fotocorrente si verifica non solo a , ma anche a ; 2) la fotocorrente è diversa da zero ad un valore negativo della differenza di potenziale strettamente definita per un dato metallo, il cosiddetto potenziale ritardante; 3) l'entità del potenziale di blocco (ritardo) non dipende dall'intensità della luce incidente; 4) la fotocorrente aumenta al diminuire del valore assoluto del potenziale di ritardo; 5) il valore della fotocorrente aumenta con la crescita e da un certo valore la fotocorrente (la cosiddetta corrente di saturazione) diventa costante; 6) il valore della corrente di saturazione aumenta all'aumentare dell'intensità della luce incidente; 7) il valore del ritardo 3. Caratteristica
il potenziale dipende dalla frequenza della luce incidente; fotocorrente.
8) la velocità degli elettroni emessi sotto l'azione della luce non dipende dall'intensità della luce, ma dipende solo dalla sua frequenza.
Equazione di Einstein
Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico e tutte le sue regolarità sono ben spiegate con l'aiuto di teoria dei quanti luce, che conferma la natura quantistica della luce.
Come già notato, Einstein (1905), sviluppando la teoria quantistica di Planck, avanzò l'idea che non solo la radiazione e l'assorbimento, ma anche la propagazione della luce avvenisse in porzioni (quanti), la cui energia e quantità di moto sono:
dove è il vettore unitario diretto lungo il vettore d'onda. Applicando la legge di conservazione dell'energia al fenomeno dell'effetto fotoelettrico nei metalli, Einstein propose la seguente formula:
, (1)
dove è la funzione lavoro di un elettrone da un metallo, è la velocità di un fotoelettrone. Secondo Einstein, ogni quanto viene assorbito da un solo elettrone e parte dell'energia del fotone incidente viene spesa per la funzione di lavoro dell'elettrone del metallo, mentre la parte restante impartisce energia cinetica all'elettrone.
Come segue da (1), l'effetto fotoelettrico nei metalli può verificarsi solo a , altrimenti l'energia del fotone sarà insufficiente per espellere un elettrone dal metallo. La frequenza più bassa della luce, sotto l'influenza della quale si verifica l'effetto fotoelettrico, è ovviamente determinata dalla condizione
La frequenza della luce determinata dalla condizione (2) è chiamata "bordo rosso" dell'effetto fotoelettrico. La parola "rosso" non ha nulla a che fare con il colore della luce in cui si verifica l'effetto fotoelettrico. A seconda del tipo di metallo, il “bordo rosso” dell'effetto fotoelettrico può corrispondere a luce rossa, gialla, viola, ultravioletta, ecc.
Con l'aiuto della formula di Einstein si possono spiegare anche altre regolarità dell'effetto fotoelettrico.
Supponiamo che, cioè, ci sia un potenziale ritardante tra l'anodo e il catodo. Se l'energia cinetica degli elettroni è sufficiente, allora, dopo aver superato il campo in decelerazione, creano una fotocorrente. La fotocorrente coinvolge quegli elettroni per i quali la condizione è soddisfatta 
. Il valore del potenziale di ritardo è determinato dalla condizione
, (3)
dove - velocità massima elettroni espulsi. Riso. quattro.
Sostituendo (3) in (1), otteniamo
Pertanto, l'entità del potenziale di ritardo non dipende dall'intensità, ma dipende solo dalla frequenza della luce incidente.
La funzione lavoro degli elettroni da un metallo e la costante di Planck possono essere determinate tracciando la dipendenza dalla frequenza della luce incidente (Fig. 4). Come puoi vedere, il segmento tagliato fuori dall'asse potenziale dà .
In considerazione del fatto che l'intensità della luce è direttamente proporzionale al numero di fotoni, un aumento dell'intensità della luce incidente porta ad un aumento del numero di elettroni espulsi, cioè ad un aumento della fotocorrente.
La formula di Einstein per l'effetto fotoelettrico nei non metalli ha la forma
.
La presenza - il lavoro di separazione di un elettrone legato da un atomo all'interno dei non metalli - è spiegata dal fatto che, a differenza dei metalli, dove sono presenti elettroni liberi, nei non metalli gli elettroni sono in uno stato legato agli atomi. Ovviamente, quando la luce cade sui non metalli, parte dell'energia luminosa viene spesa per l'effetto fotoelettrico nell'atomo - per la separazione dell'elettrone dall'atomo, e il resto viene speso per la funzione di lavoro dell'elettrone e per impartire cinetica energia all'elettrone.
Gli elettroni di conduzione non lasciano spontaneamente il metallo in quantità notevole. Ciò si spiega con il fatto che il metallo rappresenta per loro un pozzo potenziale. È possibile lasciare il metallo solo per quegli elettroni la cui energia è sufficiente a superare la potenziale barriera esistente sulla superficie. Le forze che causano questa barriera hanno la seguente origine. La rimozione accidentale di un elettrone dallo strato esterno di ioni positivi del reticolo porta alla comparsa di una carica positiva in eccesso nel punto in cui l'elettrone ha lasciato. L'interazione di Coulomb con questa carica fa tornare indietro l'elettrone, la cui velocità non è molto elevata. Pertanto, i singoli elettroni lasciano continuamente la superficie metallica, si allontanano da essa di diverse distanze interatomiche e poi tornano indietro. Di conseguenza, il metallo è circondato da una sottile nuvola di elettroni. Questa nuvola insieme allo strato esterno di ioni forma un doppio strato elettrico (Fig. 5; cerchi - ioni, punti neri - elettroni). Le forze che agiscono su un elettrone in tale strato sono dirette all'interno del metallo. Il lavoro svolto contro queste forze durante il trasferimento di un elettrone dal metallo verso l'esterno va ad aumentare l'energia potenziale dell'elettrone (Fig. 5).
Pertanto, l'energia potenziale degli elettroni di valenza all'interno del metallo è inferiore a quella esterna al metallo di una quantità pari alla profondità del pozzo potenziale (Fig. 6). La variazione di energia avviene su una lunghezza dell'ordine di diverse distanze interatomiche, pertanto le pareti del pozzo possono essere considerate verticali.
Energia potenziale di un elettrone Fig. 6.
e il potenziale del punto in cui si trova l'elettrone segni opposti. Ne consegue che il potenziale all'interno del metallo è maggiore del potenziale nelle immediate vicinanze della sua superficie di .
Dare una carica positiva in eccesso al metallo aumenta il potenziale sia sulla superficie che all'interno del metallo. L'energia potenziale di un elettrone diminuisce di conseguenza (Fig. 7, a).
I valori del potenziale e dell'energia potenziale all'infinito sono presi come punto di riferimento. L'introduzione di una carica negativa abbassa il potenziale all'interno e all'esterno del metallo. Di conseguenza, l'energia potenziale dell'elettrone aumenta (Fig. 7, b).
L'energia totale di un elettrone in un metallo è la somma delle energie potenziale e cinetica. Allo zero assoluto i valori dell'energia cinetica degli elettroni di conduzione vanno da zero all'energia coincidente con il livello di Fermi. Sulla fig. 8, i livelli di energia della banda di conduzione sono inscritti nella buca di potenziale (le linee tratteggiate mostrano i livelli non occupati a 0K). Per uscire dal metallo, diversi elettroni devono ricevere energie diverse. Quindi, un elettrone situato al livello più basso della banda di conduzione deve ricevere energia; per un elettrone al livello di Fermi, l'energia è sufficiente 
.
Si chiama la più piccola energia che deve essere impartita a un elettrone per rimuoverlo da un corpo solido o liquido nel vuoto uscire dal lavoro. La funzione lavoro di un elettrone da un metallo è determinata dall'espressione
Abbiamo ottenuto questa espressione supponendo che la temperatura del metallo sia 0K. Ad altre temperature, la funzione lavoro è anche definita come la differenza tra la profondità del pozzo di potenziale e il livello di Fermi, cioè la definizione (4) è estesa a qualsiasi temperatura. La stessa definizione si applica ai semiconduttori.
Il livello di Fermi dipende dalla temperatura. Inoltre, a causa della variazione delle distanze medie tra gli atomi dovuta all'espansione termica, la profondità del pozzo di potenziale cambia leggermente. Ciò comporta che la funzione lavoro sia leggermente dipendente dalla temperatura.
La funzione di lavoro è molto sensibile allo stato della superficie metallica, in particolare alla sua purezza. Avendo scelto correttamente Fig. otto.
rivestimento superficiale, la funzione di lavoro può essere notevolmente ridotta. Quindi, ad esempio, la deposizione di uno strato di ossido di un metallo alcalino terroso (Ca, Sr, Ba) sulla superficie del tungsteno riduce la funzione lavoro da 4,5 eV (per W puro) a 1,5 - 2 eV.
Effetto fotoelettrico interno
Sopra abbiamo parlato del rilascio di elettroni dalla superficie illuminata di una sostanza e del loro passaggio a un altro mezzo, in particolare al vuoto. Questa emissione di elettroni è chiamata emissione fotoelettronica, ma il fenomeno stesso effetto fotoelettrico esterno. Insieme ad esso è anche noto e ampiamente utilizzato per scopi pratici, i cosiddetti effetto fotoelettrico interno, in cui, a differenza di quello esterno, gli elettroni otticamente eccitati rimangono all'interno del corpo illuminato senza violare la neutralità di quest'ultimo. In questo caso, la concentrazione dei portatori di carica o la loro mobilità cambia nella sostanza, il che porta a un cambiamento delle proprietà elettriche della sostanza sotto l'azione della luce incidente su di essa. L'effetto fotoelettrico interno è inerente solo ai semiconduttori e ai dielettrici. Può essere rilevato, in particolare, dalla variazione della conduttività di semiconduttori omogenei quando sono illuminati. Sulla base di questo fenomeno, fotoconduttività creato e costantemente migliorato grande gruppo ricevitori di luce - fotoresistenze. Usano principalmente selenuro e solfuro di cadmio.
Nei semiconduttori disomogenei, insieme a un cambiamento di conduttività, si osserva anche la formazione di una differenza di potenziale (foto - fem). Questo fenomeno (effetto fotovoltaico) è dovuto al fatto che, per l'omogeneità della conducibilità dei semiconduttori, si ha una separazione spaziale all'interno del volume del conduttore di elettroni otticamente eccitati che portano una carica negativa e delle microzone (buche) che si formano nelle immediate vicinanze degli atomi da cui sono stati strappati gli elettroni, e come particelle di portatori di carica elementare positiva. Elettroni e lacune sono concentrati su diverse estremità del semiconduttore, a seguito della quale sorge una forza elettromotrice, a causa della quale viene generata senza l'applicazione di una fem esterna. corrente elettrica in un carico collegato in parallelo con un semiconduttore illuminato. Così, conversione diretta energia luminosa in energia elettrica. È per questo motivo che i ricevitori di luce fotovoltaici vengono utilizzati non solo per registrare segnali luminosi, ma anche nei circuiti elettrici come fonti di energia elettrica.
I principali tipi industriali di tali ricevitori funzionano sulla base di selenio e solfuro d'argento. Molto comuni sono anche silicio, germanio e una serie di composti: GaAs, InSb, CdTe e altri. Le celle fotovoltaiche utilizzate per convertire l'energia solare in energia elettrica sono diventate particolarmente diffuse nella ricerca spaziale come fonti di energia a bordo. Hanno un tasso relativamente alto azione utile(fino al 20%), molto conveniente in volo autonomo navicella spaziale. Nelle moderne celle solari, a seconda del materiale semiconduttore, foto - emf. raggiunge 1 - 2 V, rimozione corrente da - diverse decine di milliampere e per 1 kg di massa, la potenza di uscita raggiunge centinaia di watt.
Insieme alla radiazione termica, un fenomeno che non rientra nel quadro della fisica classica, è l'effetto fotoelettrico.
L'effetto fotoelettrico esterno è il fenomeno dell'emissione di elettroni da parte di una sostanza quando viene irradiata con onde elettromagnetiche.
L'effetto fotoelettrico fu scoperto da Hertz nel 1887. Notò che la scintilla tra le sfere di zinco è facilitata se lo spazio tra le scintille è irradiato di luce. Sperimentalmente, la legge dell'effetto fotoelettrico esterno fu studiata da Stoletov nel 1888. Lo schema per studiare l'effetto fotoelettrico è mostrato in Fig. 1.
| Fig. 1. |
Il catodo e l'anodo si trovano in un tubo a vuoto, poiché la contaminazione trascurabile della superficie metallica influisce sull'emissione di elettroni. Il catodo è illuminato con luce monocromatica attraverso una finestra di quarzo (il quarzo, a differenza del vetro ordinario, trasmette luce ultravioletta). La tensione tra anodo e catodo viene regolata da un potenziometro e misurata con un voltmetro. Due batterie ricaricabili e, collegate tra loro, consentono tramite un potenziometro di variare il valore e il segno della tensione. La forza della fotocorrente viene misurata con un galvanometro.
Nella figura 2. vengono mostrate le curve della dipendenza dell'intensità della fotocorrente dalla tensione, corrispondenti a diverse illuminazioni del catodo e (). La frequenza della luce è la stessa in entrambi i casi.
dove e sono la carica e la massa dell'elettrone.
All'aumentare della tensione, la fotocorrente aumenta man mano che sempre più fotoelettroni raggiungono l'anodo. Il valore massimo della fotocorrente è chiamato fotocorrente di saturazione. Corrisponde a tali valori di tensione ai quali tutti gli elettroni espulsi dal catodo raggiungono l'anodo: , dove è il numero di fotoelettroni emessi dal catodo in 1 secondo.
Stoletov stabilì empiricamente le seguenti leggi dell'effetto fotoelettrico:
Sorsero gravi difficoltà nello spiegare la seconda e la terza legge. Secondo la teoria elettromagnetica, l'estrazione di elettroni liberi dal metallo dovrebbe essere il risultato del loro "oscillazione" nel campo elettrico dell'onda. Quindi non è chiaro perché la velocità massima degli elettroni emessi dipenda dalla frequenza della luce, e non dall'ampiezza delle oscillazioni del vettore dell'intensità del campo elettrico e dall'intensità dell'onda ad esso associata. Le difficoltà nell'interpretazione della seconda e terza legge dell'effetto fotoelettrico hanno sollevato dubbi sull'applicabilità universale della teoria ondulatoria della luce.
Equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico
Nel 1905 Einstein spiegò le leggi dell'effetto fotoelettrico usando la teoria quantistica da lui proposta. La luce con una frequenza non solo viene emessa, come ipotizzava Planck, ma viene anche assorbita dalla materia in determinate porzioni (quanta). La luce è un flusso di quanti di luce discreti (fotoni) che si muovono alla velocità della luce. L'energia quantistica è . Ogni quanto è assorbito da un solo elettrone. Pertanto, il numero di elettroni emessi deve essere proporzionale all'intensità della luce (1 legge dell'effetto fotoelettrico).
L'energia del fotone incidente viene spesa per il lavoro di uscita dell'elettrone dal metallo e per la comunicazione dell'energia cinetica al fotoelettrone emesso:
 | (2) |
L'equazione (2) è chiamata equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico esterno. L'equazione di Einstein permette di spiegare la seconda e la terza legge dell'effetto fotoelettrico. L'equazione (2) implica direttamente che l'energia cinetica massima aumenta con l'aumentare della frequenza della luce incidente. Al diminuire della frequenza l'energia cinetica diminuisce e ad una certa frequenza diventa uguale a zero e l'effetto fotoelettrico cessa (). Da qui
dove è il numero di fotoni assorbiti.
In questo caso, il bordo rosso dell'effetto fotoelettrico si sposta verso frequenze più basse:
| . | (5) |
Oltre all'effetto fotoelettrico esterno è noto anche l'effetto fotoelettrico interno. Quando vengono irradiati semiconduttori e dielettrici solidi e liquidi, gli elettroni passano dallo stato legato allo stato libero, ma non volano via. La presenza di elettroni liberi porta alla comparsa della fotoconduttività. La fotoconduttività è l'aumento della conduttività elettrica di una sostanza quando esposta alla luce.
Il fotone e le sue proprietà
I fenomeni di interferenza, diffrazione, polarizzazione possono essere spiegati solo dalle proprietà ondulatorie della luce. Tuttavia, l'effetto fotoelettrico e la radiazione termica sono solo corpuscolari (supponendo che la luce sia un flusso di fotoni). Le descrizioni ondulatorie e quantistiche delle proprietà della luce si completano a vicenda. La luce è sia un'onda che una particella. Le equazioni di base che stabiliscono la relazione tra le proprietà delle onde e delle particelle sono le seguenti:
| (7) |
E - quantità che caratterizzano la particella e - l'onda.
Troviamo la massa di un fotone dalla relazione (6): .
Un fotone è una particella che si muove sempre alla velocità della luce e ha massa a riposo nulla. La quantità di moto di un fotone è: .
Effetto Compton
Le proprietà corpuscolari più complete si manifestano nell'effetto Compton. Nel 1923, il fisico americano Compton indagò sulla diffusione dei raggi X da parte della paraffina, i cui atomi sono leggeri.
La diffusione dei raggi X dal punto di vista ondulatorio è dovuta alle oscillazioni forzate degli elettroni della sostanza, per cui la frequenza della luce diffusa deve coincidere con la frequenza della luce incidente. Tuttavia, nella luce diffusa, lunga lunghezza onde. non dipende dalla lunghezza d'onda dei raggi X diffusi e dal materiale della sostanza che diffonde, ma dipende dalla direzione della diffusione. Sia l'angolo tra la direzione del raggio primario e la direzione della luce diffusa, quindi 
, dove (m).
Questa legge è vera per gli atomi leggeri ( , , , ) con elettroni debolmente legati al nucleo. Il processo di diffusione può essere spiegato dalla collisione elastica dei fotoni con gli elettroni. Sotto l'azione dei raggi X, gli elettroni vengono facilmente separati dall'atomo. Pertanto, si può considerare la diffusione da parte di elettroni liberi. Un fotone dotato di quantità di moto collide con un elettrone a riposo e gli cede parte dell'energia, mentre acquista quantità di moto (Fig. 3).
 Fig.3. |
Utilizzando le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto per un impatto assolutamente elastico, otteniamo per l'espressione: 
, che coincide con quella sperimentale, mentre 
, che dimostra la teoria corpuscolare della luce.
Luminescenza, fotoluminescenza e sue principali regolarità
La luminescenza è una radiazione di non equilibrio che è in eccesso a una data temperatura rispetto alla radiazione termica. La luminescenza si verifica sotto l'influenza di influenze esterne, non a causa del riscaldamento del corpo. Questo è un bagliore freddo. A seconda del metodo di eccitazione, ci sono: fotoluminescenza (sotto l'azione della luce), chemiluminescenza (sotto l'azione di reazioni chimiche), catodoluminescenza (sotto l'azione di elettroni veloci) ed elettroluminescenza (sotto l'influenza di un campo elettrico).
La luminescenza che si interrompe immediatamente (c) dopo la scomparsa di influenze esterne è chiamata fluorescenza. Se la luminescenza scompare entro s dopo la fine dell'esposizione, si parla di fosforescenza.
Le sostanze che emettono luce sono chiamate fosfori. Questi includono composti di uranio, terre rare, nonché sistemi coniugati in cui i legami si alternano, composti aromatici: fluoresceina, benzene, naftalene, antracene.
La fotoluminescenza obbedisce alla legge di Stokes: la frequenza della luce eccitante è maggiore della frequenza emessa 
, dove è la parte dell'energia assorbita che si trasforma in calore.
La caratteristica principale della luminescenza è la resa quantica pari al rapporto tra il numero di fotoni assorbiti e il numero di fotoni emessi. Esistono sostanze la cui resa quantica è vicina a 1 (ad esempio la fluoresceina). L'antracene ha una resa quantica di 0,27.
Il fenomeno della luminescenza è stato ampiamente utilizzato nella pratica. Ad esempio, l'analisi luminescente è un metodo per determinare la composizione di una sostanza in base al suo bagliore caratteristico. Il metodo è molto sensibile (circa ), consente di rilevare una quantità insignificante di impurità e viene utilizzato per le ricerche più accurate nel campo della chimica, della biologia, della medicina e dell'industria alimentare.
Il rilevamento dei difetti fluorescenti consente di rilevare le crepe più fini sulla superficie delle parti della macchina (la superficie da esaminare è coperta per questo con una soluzione luminescente, che rimane nelle crepe dopo la rimozione).
I fosfori sono usati in lampade fluorescenti, sono il mezzo attivo dei generatori quantistici ottici, sono utilizzati nei convertitori elettrone-ottici. Utilizzato per la fabbricazione di puntatori luminosi di vari dispositivi.
Principi fisici dispositivi per la visione notturna
La base del dispositivo è un tubo intensificatore di immagine (EOC), che converte l'immagine di un oggetto invisibile all'occhio nei raggi IR in un'immagine visibile (Fig. 4).
 Fig.4. |
1 - fotocatodo, 2 - lente elettronica, 3 - schermo luminescente,
Radiazione infrarossa dall'oggetto provoca l'emissione di fotoelettroni dalla superficie del fotocatodo e la quantità di emissione da diverse parti di quest'ultimo cambia in base alla distribuzione della luminosità dell'immagine proiettata su di esso. I fotoelettroni sono accelerati da un campo elettrico nell'area tra il fotocatodo e lo schermo, vengono focalizzati da una lente elettronica e bombardano lo schermo provocandone la luminescenza. L'intensità del bagliore dei singoli punti dello schermo dipende dalla densità del flusso fotoelettronico, a seguito del quale sullo schermo appare un'immagine visibile dell'oggetto.
