Какой фотоэффект называют многофотонным

Многофотонный внешний фотоэффект.

В рассмотренном выше явлении электрон испускания фотоэлектрона.

получает энергию от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными. При достаточно большой интенсивности лазерного излучения возможно рождение фотоэлектрона вследствие поглощения не одного, а сразу нескольких N фотонов с энергией . В этом случае многофотонный аналог уравнения Эйнштейна запишется в виде

, (5)

и явление может наблюдаться за красной границей . Нижняя частотная граница многофотонного фотоэффекта уменьшается до значения. Впервые многофотонный (двухфотонный) внешний фотоэффект наблюдался в 1964г в натрии.

2. Эффект Комптона – изменение энергии и импульса фотонов при рассеянии на свободных электронах.

В 1922 – 1923гг американский физик Артур Комптон изучал рассеяние монохроматического рентгеновского излучения графитом (углерод). Схема опыта показана на рис.4,а.

На вещество падает узкий пучок монохроматического рентгеновского излучения с длиной волны , что соответствует энергии фотоновкэВ. Эта энергия весьма велика по сравнению с энергией связи внешних электронов атома углерода эВ и даже по сравнению с энергией связи всех электронов этого атома. В этих условиях можно считать, что процесс рассеяния происходит на свободных электронах.

б)

Вещество

в)

Рис.4. Эффект Комптона.

а). Схема эксперимента;

б). Результаты рассеяния на графите (углерод);

в). Закон сохранения импульса.

Рассеянное под различными углами излучение измерялось с помощью рентгеновского спектрографа.

На рис.4,б представлены результаты рассеяния рентгеновского излучения на графите, полученные в опытах Комптона, для трех углов рассеяния 45 0 ,90 0 и 135 0 . По вертикальной оси отложена интенсивность рассеянного излучения, по горизонтальной оси – длина волны излучения. В спектре рассеянного излучения видны две линии, несмещенная линия с такой же длиной волны, что и длина волны падающего излучения, и смещенная линия с длиной волны. Кроме того, чем больше угол рассеяния, тем больше величина смещения.

Из экспериментов по рассеянию излучения разными веществами следовало, что величина смещения равна , где, и не зависит от того, из каких атомов состоит рассеивающее вещество.

Увеличение длины волны излучения при его рассеянии необъяснимо с точки зрения волновой теории электромагнитного излучения. Электромагнитная волна должна воздействовать сразу на все электроны вещества. При этом доля энергии и импульса волны, передаваемая одному электрону, должна быть ничтожно малой. В классической теории рассеяние рассматривается как процесс, в котором электроны совершают вынужденные колебания под действием электрического поля падающей волны, излучая вторичные (рассеянные) электромагнитные волны на частоте падающего излучения.

Таким образом, эффект Комптона относится к явлениям квантовой оптики. Фотон движется со скоростью света, и в результате столкновения электрон может стать релятивистским. Для таких частиц известна связь между энергией и импульсом

(6)

Для частиц излучения – фотонов – из (6) следует

(7)

Пусть фотон с энергией и импульсомпадает на вещество и взаимодействует (сталкивается) с одним из электронов. После столкновения возникает фотон с энергией, движущийся под угломк направлению падающего фотона, а электрон получает энергиюи импульс(рис.4,а). Для выполнения законов сохранения

энергии и импульса необходимо, чтобы всё явление происходило в одной плоскости. В системе отсчета, в которой свободный электрон покоится, законы сохранения имеют вид

или (8)

Векторное сложение импульсов показано на рис.4,в. Вычитая квадрат нижнего уравнения в (8) из квадрата верхнего уравнения, получим, с учетом (6)

(9) Поскольку ,и, из (9) находим

, (10) где — комптоновская длина волны для электрона. Для электрона , что совпадает со значением, найденным из экспериментов.

Формула (10) содержит постоянную Планка , и способ, каким величинавошла в эту формулу, является сильным доводом в пользу фотонных представлений. Значение эффекта Комптона состоит в том, что он подтверждает универсальный характер соотношений: энергия фотона, импульс фотона. В опыте Комптона фотон ведет себя как неделимая частица. В элементарном процессе рассеяния падающий фотон исчезает, и рождается новый фотон с меньшей энергией и электрон отдачи.

Вопрос 3. Однофотонный и многофотонный фотоэффект.

Рассмотренный нами внешний фотоэффект называется однофотонным, согласно которому каждый поглощенный квант света инициирует испускание атомом только одного электрона.

При больших интенсивностях света (лазерное излучение) возможен нелинейный многофотонный фотоэффект, который наблюдается при одновременном поглощении атомом энергии фотонов (). Уравнение для многофотонного фотоэффекта имеет вид:

. (17.10)

Если , где— энергия одного фотона, тогда, т.е. красная граница, выраженная в частотах, станет враз меньше по сравнению с однофотонным фотоэффектом.

Таким образом, многофотонный фотоэффект приводит вообще к исчезновению красной границы фотоэффекта, определяемой формулой (17.6) и ее смещению в длинноволновую область шкалы электромагнитных волн.

Явление внешнего фотоэффекта используется в фотоэлементах – приборах, предназначенных для регистрации и измерения световых потоков путем преобразования световых сигналов в электрические. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Часть внутренней поверхности его покрыта слоем металла, который является фотокатодом. Анод изготавливают в виде металлической петли или сетки, которую помещают во внутрь баллона. Вещество фотокатода подбирают в зависимости от области спектра, где будет работать фотоэлемент. Обычно на фотоэлемент подается анодное напряжение, которое обеспечивает фототок насыщения. В этом случае в соответствии с первым законом фотоэффекта сила тока в цепи фотоэлемента будет строго пропорциональна световому потоку, падающему на фотокатод.

Вакуумные фотоэлементы практически безинерционны, однако чувствительность их весьма мала, сила фототока также невелика.

Одним из способов увеличения слабых фототоков является вторичная электронная эмиссия, используемая в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ). ФЭУ представляет собой вакуумную трубку, в которой находится фотокатод и несколько анодов, называемых динодами. На каждый следующий динод подается положительный потенциал по отношению к предыдущему диноду. Слабый поток фотоэлектронов, ускоренный электрическим полем между катодом и первым динодом, вследствие вторичной электронной эмиссии выбивает большее число электронов, которые направляются ко второму диноду, и т.д. При коэффициенте вторичной электронной эмиссии (−число падающих на динод электронов,n – число вылетающих из него электронов) в ФЭУ может достигаться усиление фототока в миллионы раз.

Выходной ток фотоумножителя обычно относительно невелик, не больше нескольких десятков миллиампер, так как назначение фотоумножителя – не получение больших выходных токов, а регистрация слабых световых потоков.

Вопрос 4. Внутренний фотоэффект.

Явление внутреннего фотоэффекта наблюдается при освещении диэлектриков или полупроводников светом определенной частоты. Под действием поглощенных квантов света в этом случае электропроводность вещества увеличивается за счет повышения у них концентрации свободных носителей заряда. Поэтому это явление называют также фотопроводимостью. Явление внутреннего фотоэффекта используется в фоторезисторах, сопротивление которых зависит от поглощенного светового потока (рис. 17.3). Здесь 1 — подложка из диэлектрика, 2 — полупроводник, 3 — металлические электроды.

Рис. 17.3 Рис. 17.4

Сущность вентильного фотоэффекта, или фотоэффекта в запирающем слое состоит в том, что вследствие внутреннего фотоэффекта возникает разность потенциалов вблизи контакта между металлом и полупроводником или между полупроводниками — итипа. На рис. 17.4 представлена схема вентильного фотоэлемента. На металлический электрод 1 нанесен слой полупроводника 2, покрытый тонким полупрозрачным слоем золота 4, к нему плотно приварено металлическое кольцо 5, служащее электродом. Между полупроводником и слоем золота образуется промежуточный слой 3 (p—n-переход), в котором в области контакта золота и полупроводника или двух полупроводников p— и n-типа при освещении p—n -перехода светом возникают дополнительные носители заряда (электроны − в-области и дырки − вn-области), которые достаточно легко проходят через переход. В результате в -области образуется избыточный положительный заряд, а вn-области – избыточный отрицательный. Возникающая на контактах этих полупроводников разность потенциалов при поглощении в нем квантов электромагнитного излучения называется фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС). Если такой образец включить в замкнутую цепь, возникнет электрический ток, который называется фототоком. Значение фото−ЭДС при небольших световых потоках пропорционально падающему на кристалл потоку. На явлении вентильного фотоэффекта основано действие солнечных батарей. Они представляют собой от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч элементов из кремниевых -переходов, соединенных последовательно. Солнечные батареи преобразуют световую энергию непосредственно в электрическую. Они начали использоваться на космических летательных аппаратах, для индивидуального обеспечения электричеством частных домов и т.д.

Солнечная энергетика является одним из важнейших направлений развития энергетики будущего. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Хотя это пока еще дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более, что такая энергия экологически безопасна и ее запасы практически неисчерпаемы.

Сейчас получение энергии с помощью солнечных батарей осуществляется в промышленных масштабах, в мире проводятся исследования над увеличением мощности солнечных фотоэлектрических установок. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20 % мирового количества электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и использоваться на транспорте, в машиностроении, приборостроении, медицине, космосе и других отраслях. О перспективах развития солнечной энергетики говорит такой факт: если в 1985 году все установленные мощности солнечных электростанций мира составляли 21 МВт, то в 2010 году суммарные мощности фотоэлектрических станций достигли 40000 МВт, т.е. за 25 лет мощности электростанций, вырабатывающих электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей, увеличились примерно в 2000 раз.

Рассмотренные виды фотоэффекта ис­пользуются для кон­троля, управления и автоматизации раз­личных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излу­чением, в раз­личных системах связи. В частности, в волоконно-оптических линиях связи фотоэлектрические преобразователи используются в качестве основных элементов.

Контрольные вопросы:

1. Почему фотоэлектрические измерения весьма чувствительны к веществу и состоянию поверхности фотокатода?

2. Как при заданной частоте света изменится фототок насыщения с уменьшением освещенности катода?

3. Как из опытов по фотоэффекту определяется постоянная Планка?

4. При замене одного металла другим длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта, уменьшается, т.е. λ₀₁ > λ₀₂. Если А₁ и А₂ − работы выхода электронов соответственно из первого и второго металлов, то какая из этих работ больше?

5. Как с помощью уравнения Эйнштейна объяснить I и II законы фотоэффекта?

6. Нарисуйте и объясните вольт-амперные характеристики, соответствующие двум различным освещенностям катода при заданной частоте света.

МНОГОФОТО́ННЫЕ ПРОЦЕ́ССЫ

МНОГОФОТО́ННЫЕ ПРОЦЕ́ССЫ, про­цес­сы взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом, при ко­то­рых в од­ном эле­мен­тар­ном ак­те про­ис­хо­дит по­гло­ще­ние или ис­пус­ка­ние (или и то и дру­гое) не­сколь­ких фо­то­нов. При этом со­вер­ша­ет­ся т. н. мно­го­фо­тон­ный пе­ре­ход ме­ж­ду кван­то­вы­ми со­стоя­ния­ми $|1\rangle$ и $|2\rangle$ , со­от­вет­ст­вую­щи­ми уров­ням энер­гии $ℰ_1$ и $ℰ_2$ отд. кван­то­вых сис­тем (ато­мов, мо­ле­кул, при­мес­ных цен­тров и т. п.). Раз­ность энер­гий ко­неч­но­го $|2\rangle$ и на­чаль­но­го $|1\rangle$ со­стоя­ний $ℰ_2-ℰ_1$ рав­на раз­но­сти энер­гий по­гло­щён­ных и ис­пу­щен­ных фо­то­нов и оп­ре­де­ля­ет их час­то­ту $ω=(ℰ_2-ℰ_1)/\hbar$ , где $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка.

Фотоэффект

Фотоэффе́кт, явление воздействия света или любого другого электромагнитного излучения на вещество, сопровождающееся передачей энергии фотонов электронам вещества.

Явление открыто Г. Р. Герцем в 1887 г. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены А. Г. Столетовым в 1888 г. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовых представлений дал А. Эйнштейн в 1905 г.

В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффекты. В первом – поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, во втором – электроны остаются в теле, но изменяют своё энергетическое состояние. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения. Свободный электрон не может поглотить фотон, поскольку при этом одновременно не выполняются закон сохранения энергии и закон сохранения импульса . Фотоэффект в атоме, молекуле или конденсированной среде возникает из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации , в конденсированной среде – работой выхода . Фотоэффект в атоме заключается в поглощении фотона и последующей ионизации атома с испусканием электрона, при этом энергия фотона за вычетом энергии ионизации передаётся испускаемому электрону.

В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. Закон сохранения энергии в фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна: ℏ ν = E i + E \hbar\nu = \mathcal_i + \mathcal ℏ ν = E i ​ + E , где ℏ ν \hbar\nu ℏ ν – энергия фотона ( ν \nu ν – частота электромагнитной волны, ℏ \hbar ℏ – постоянная Планка ), E \mathcal E – кинетическая энергия фотоэлектрона, E i \mathcal_i E i ​ – энергия ионизации атома или работа выхода электрона из твёрдого тела. Из соотношения следует, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а её остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Существует наименьшая частота ( ℏ ν min = E i \hbar\nu_> = \mathcal_i ℏ ν min ​ = E i ​ ), ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из вещества, её называют красной границей фотоэффекта.

В металлах энергия фотонов поглощается электронами проводимости, в полупроводниках и диэлектриках – валентными электронами. В результате может наблюдаться фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или внутренний фотоэффект с граничной энергией фотонов, равной ширине запрещённой зоны . Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект, связанный с возникновением электродвижущей силы при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (в отсутствие внешнего электрического поля ).

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y Y Y – число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y Y Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов. Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра Y < 0 , 001 Y < 0,001 Y < 0 , 001 электрон/фотон. Такая незначительная величина Y Y Y связана, прежде всего, с малой глубиной выхода фотоэлектронов , которая значительно меньше глубины поглощения света в металле.

При высокой интенсивности излучения возможен многофотонный фотоэффект. В этом случае освобождающийся электрон одновременно получает энергию не от одного, а от нескольких фотонов. Практически все известные разновидности фотоэффекта (внутренний, вентильный, внешний) имеют свой «многофотонный вариант», отличающийся тем, что электроны вещества приобретают необходимую энергию в процессе многофотонного поглощения света , в то время как при «обычном» фотоэффекте требуемое возбуждение электронов достигается за счёт однофотонного поглощения. В результате многофотонного фотоэффекта при высоких интенсивностях излучения исчезает т. н. красная граница фотоэффекта: если энергии одного фотона ℏ ν \hbar\nu ℏ ν недостаточно для преодоления работы выхода E i \mathcal_i E i ​ , то эмиссия электронов может происходить за счёт многофотонного поглощения. Использование гамма-излучения с высокой энергией фотонов может приводить к вырыванию фотоэлектронов из «глубоких» оболочек атома и вызывать перестройку ядер атомов ( фотоядерные реакции ).

Фотоэффект широко используется в исследовании строения вещества – атомных ядер, атомов, твёрдых тел, а также в фотоэлектронных приборах (в частности, в разнообразных приёмниках излучения ).

Опубликовано 12 января 2023 г. в 23:06 (GMT+3). Последнее обновление 4 мая 2023 г. в 18:50 (GMT+3). Связаться с редакцией