KEE/SOES 6 . přednáška Fotoelektrick ý jev

1. KEE/SOES6. přednáškaFotoelektrickýjev Ing. Milan Bělík, Ph.D.

2. Fotoelektrický jev • Ozáření některých látek způsobí jejich nabití kovy (Zn + UV záření) polokovy (Si + viditelné světlo) organické sloučeniny • Krátké vlnové délky pohlceny (emise elektronů) • Dlouhé vlnové délky zůstávají ve spektru • Emise roste s intenzitou záření • Energie elektronů se nemění s intenzitou záření

3. Historie 1865 – James C. Maxwell – teorie elektromagnetického pole (záření je nositel energie) 1887 – Heinrich Hertz – „nevysvětlitelná“ interakce záření na povrchu kovu 1888 – A. G. Stoletov – pozorování fotoelektrického jevu 1902 – Philipp Lenard – stanovení zákonitostí fotoelektrického jevu (arijská x židovská fyzika) 1905 – Albert Einstein – objasnění fotoelektrického jevu (1921 Nobelova cena)

4. Problém klasické fyziky • Dlouhé vlnové délky • jev nenastává • Krátké vlnové délky • zvýšení intenzity způsobí emisi většího počtu elektronů, ale ne jejich větší energii • Elektrony by měly získat Ek záření • Závisí na I • Energie elektronů by měla záviset na I • Experimenty • Energie elektronů nezávisí na I • Energie elektronů závisí na f • Energie fotonů • závisí na f • E=h*f

5. Vlastnosti fotoelektrického jevu • Každá látka má mezní (prahový) kmitočet • Pro frekvence pod prahovým kmitočtem emise nenastává • Pro frekvence nad prahovým kitočtem emise nastává • energie fotoelektronů mezi 0 a Emax • Emax=h(f-f0)=hf – hf0 • Klasická fyzika toto neumí vysvětlit

6. Kvantové vysvětlení 1905 – Albert Einstein – fotonová hypotéza • Vychází z kvantové teorie M. Plancka • elektromagnetické pole je zvláštní typ „kontinua“, jehož energie se mění skokem • elektromagnetické vlnění předává svou energii při nespojitě, po kvantech • Planckovo „kontinuum“ je samo tvořeno kvanty elektromagnetické energie, částicemi pohybujícími se rychlostí světla(fotony) • E = h*f • h = 6,62607 * 10-34 Js (Planckova konstanta) • kvantitativní spojení vlnových a částicových vlastností hmoty • Elektromagnetické pole je fyzikální objekt, u nějž za jistých okolností převažují vlnové vlastnosti a jindy zase vlastnosti částicové (vlnově-korpuskulární dualismus světla)

7. Einsteinova teorie fotoelektrického jevu • experimentálně prokázána A. H. Comptonem při rozptylu paprsků X na volných elektronech (Comptonův jev) • fotoemise každého elektronu je důsledkem pohlcení jednoho kvanta elektromagnetického záření (fotonu) • během tohoto procesu foton zaniká a předává svou energii elektronu • energie je pak částečně využita k úniku elektronu z kovu a zbytek přeměněn na jeho kinetickou energii • jednoduchý model krystalu kovu, v němž je elektron vázán konstantní vazebnou energií • k opuštění krystalu musíme proto elektronu dodat energii, která je alespoň rovna této energii vazebné (konstanta materiálu)

8. ze zákona zachování energie vyplývá: hv - energie dopadajícího fotonu A - výstupní práce, Ekin - kinetická energie emitovaného elektronu ΔE - energetické ztráty elektronu doprovázející jeho emisi z krystalu kovu (např. v důsledku nepružných srážek s krystalickou mřížkou) • maximální kinetické energie dosáhne elektron, pokud jsou ztráty ΔE nulové:

9. časová prodleva mezi dopadem záření na krystal kovu a fotoemisí elektronů je dána typickým časem absorpce fotonu elektronem • experimentálně změřeno • řádově roven 10-9 s (pro velmi slabé intenzity dopadajícího záření klasická teorie předpovídá prodlevu několika měsíců) • existence maximální vlnové délky záření, pro kterou ještě může dojít k fotoemisi elektronu, vyplývá z nezápornosti kinetické energie: • první pozorovaný doklad částicového chování elektromagnetického záření - velký význam pro další rozvoj fyziky (přelom 19. a 20. stol.)

10. vnější fotoelektrický jev • elektrony jsou uvolňovány z vodivostního pásu kovů a samotný krystal kovu opouštějí • vnitřní fotoelektrický jev • elektrony v polovodičích zpravidla samotný polovodič neopouštějí, pouze zvyšují jeho vodivost

11. Inverzní fotoelektrický jev • na látku dopadají elektrony, které způsobují vyzařování fotonů • energie pohybujícího se elektronu je obvykle podstatně větší než potenciálová hráz, proto lze hodnotu výstupní práce zanedbat proti kinetické energii elektronu: Ek = hf • při dopadu elektronu na kov dochází obvykle ke ztrátě jeho kinetické energie postupně (několika srážkami s částicemi hmoty), kdy postupně uvolňuje svoji energii ve formě tepelného záření • některé elektrony však všechnu svoji energii ztratí při jednom nárazu, všechna kinetická energie elektronu se může přeměnit v částici elektromagnetického záření - foton (fotony rentgenového záření) • Duane – Huntův zákon: • zvyšování potenciálu U posouvá maximum energie ke kratším vlnovým délkám • experimentálně ověřeno

12. Křemíkový PV článek • Křemík (Si) • Atomové číslo: 14 • Konfigurace: 3s2 3p2 • Mocenství: +4 • Krystalická mřížka: šesterečná • Donory • Mocenství: +5 • As, P, Sb • Akceptory • Mocenství: +3 • B, Al, Ga