Фотоэлектрический эффект

Явление, связанное с возникновением в цепи электрического тока при освещении катода светом, называется внешним фотоэлектрическим эффектом (внешним фотоэффектом). Изучением данного явления Занимались Г.

В опыте Столетова (рис. 5.9.1) плоский конденсатор, одной из пластин которого служила медная сетка С, а второй — цинковая пласта

на D, включался через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи Б. При освещении отрицательно заряженной пластины D светом от источника S, возникал электрический ток (фототок). Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D. При освещении же положительно заряженной пластины С фототок не возникал.

Принято считать, что так было экспериментально доказано, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы — электроны. С позиции эфирной природы электрического тока это не так.

Фотонов в природе не существует, а фотоэффект объясняется взаимен действием эфитонов световой волны с эфирным полем вещества.

Путем экспериментальных исследований явления внешнего фотоэффекта были установлены следующие основные закономерности. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, которая определяется минимальной частотой V0 света, при которой начинает проявляться фотоэффект. Сила фототока при фиксированной частоте падающего на катод света пропорциональна интенсивности световой волны (закон Столетова).

На рисунке 5.9.2 изображены кривые зависимости силы фототека J от напряжения U, соответствующие двум значениям энергетической освещенности E1 и E2, E1 lt; E2. Энергетическая

освещенность пропорциональна интенсивности световой волны (Е ~ I). Фототок начинает течь при отрицательных напряжениях от 0 до -U0. По мере увеличения напряжения U фототок постепенно возрастает до величины Iinax, называемой фототоком насыщения.

Рассмотрим возможный механизм возникновения явления фотоэффекта с позиции эфирной природы электромагнетизма.

Появление в цепи электрического тока при облучении катода светом объясняется воздействием световой волны на эфирное поле катода. Свет — это эфирная волна, которая представляет собой одновременно упругую продольную (механическую) волну колебаний эфитонов и электромагнитную волну вращения (ориентации) эфитонов, энергия которых определяется значениями векторов, соответственно, Умова (U) и Умова-Пойтига (P).

Интенсивность эфирной волны I равна модулю среднего значения данных векторов (4.3.5, 4.3.9):

где: р — плотность эфирной среда;

V- фазовая скорость волны (для света в вакууме v = с; А — амплитуда волны (для электромагнитной волны А — амплитуда колебаний электрического вектора E поля волны);

?, ц — электрическая и магнитная проницаемость среды.

Поэтому на возникновение фототока в цепи должны оказывать влияние как частота падающей на катод эфирной волны, так и величина ее амплитуды. В любом источнике света, в том числе весьма малых размеров, процессы излучения света атомами происходят независимым образом, и естественный свет является неполяризованным. А так как в каждый момент времени электрический и магнитный вектора в волне естественного света ориентированы случайным образом, то такая волна не может оказать существенного влияния на эфирное поле катода. Поэтому в процессе взаимодействия естественного света и вещества основное воздействие на эфирное поле катода должна оказывать упругая продольная световая волна колебаний эфитонов, интенсивность которой пропорциональна квадрату амплитуды волны и ее частоте, I ~ А2©2.

Эфитоны упругой продольной волны обладают максимальной энергией. Объемная плотность энергии в синусоидальной волне изменяется в пределах от 0 до W              = рА2©2, а ее среднее значение за период равно

На проявление фотоэффекта волна естественного света оказывает воздействие только своей слагающей, перпендикулярной поверхности металла: lt;WXgt; = lt;Wgt;Cosa, где a — угол падения световой волны.

Размер единичной элементарной площадки dS± равен поперечному сечению одиночной волны, т.е. единице. Тогда работа входа, соответствующая «красной границе», будет равна

(5.9.2)

Таким образом, величина работы входа Un определяется углом падения световой волны а, ее минимальной частотой V0 и амплитудой А. При этом наибольшее влияние на проявление фотоэффекта оказывает частота волны, так как от нее зависит не только величина Un, но и сопротивление металла (катода) фототоку.

При падении на катод упругой световой волны происходит сложение ее продольной нормальной составляющей с волной колебаний эфитонов межатомного эфирного поля катода. В общем случае траектории движения эфитонов в местах сложения волн будут иметь сложную форму. Однако, учитывая, что колебания эфитонов в поверхностном слое металла в основном должны происходить в плоскости, параллельной его поверхности, а колебания эфитонов в световой воле перпендикулярны этой плоскости, то будет происходить сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний.

Пусть колебания эфитонов световой волны происходят по оси ОХ, а эфитонов в поверхностном слое металла по оси ОУ. В том случае, если частоты этих колебаний одинаковы, то уравнение траектории движения эфитонов будет иметь форму эллипса [56, 57]:

(5.9.3)

Форма эллипса, а также положение эфитонов в плоскости ХОУ (рис. 5.9.3) зависят от амплитуд A1 и A2 складываемых колебаний и раз-

ности их начальных фаз (lt;р2 - (р,).

(5.9.4)

Знак плюс соответствует четным значениям m (сложению синфазных колебаний), а знак минус — нечетным значениям m (сложению колебаний, происходящих в противофазе). В этих случаях эфитон совершает линейно поляризованные гармонические колебания с частотой складываемых колебаний и амплитудой А = (A1 + A2)1/2 вдоль прямой, составляющей с осью OX угол (3:

(5.9.5)

Отсюда видно, что при сложении гармонических колебаний эфитонов их амплитуда возрастает. При движении в положительном направлении по оси OX такие эфитоны уже способны к преодолению потенциального барьера эфирного поля металла. Учитывая, что диапазон изменения амплитуды световой волны не велик, то основной вклад в энергию эфитонов вносит частота их колебаний, которая должна быть не меньше частоты V0.

Когда энергия эфитонов в световой волне становится достаточной для совершения работы Un по преодолению потенциального барьера эфирного поля катода, то такие эфитоны начинают входить в это поле. Так в электрической цепи создается разность плотностей эфитонов и начинает течь фототок.

Опыты показывают, что у ряда металлов наблюдается следующая особенность: сила фототока имеет резко выраженный максимум для определенного спектрального участка, быстро спадая по обе его стороны [12, с.645]. Максимум фототока Jmsk при одной и той же освещенности соответствует той области длин волн X, в которой наблюдается минимум коэффициента отражения света от металла, т.е. при данной длине волны большая часть эфитонов световой волны преодолевают потенциальный барьер эфирного поля металла (рис. 5.9.4). Данное явление особенно сильно проявляется у щелочных металлов, для которых «красная граница» лежит в видимой или даже в инфракрасной области

Селективность фотоэффекта очень найоминает резонансные эффекты, ибо эфитоны эфирного поля на поверхности металла обладают собственным периодом колебаний.

Подтверждением подобнбго взгляда может служить то обстоятельство, что явление селективного фотоэффекта очень сильно зависит от направления поляризации света и угла падения (рис. 5.9.5, 5.9.6). Если излучение поляризовано так, что электрический вектор параллелен плоскости падения (En), то селективный фототок максимален. Наоборот,

при повороте плоскости поляризации на 90° (E1) селективный эффект исчезает. В первом случае электрический вектор имеет слагающую (E0), перпендикулярную поверхности металла, а во втором случае электрический вектор такой слагающей не имеет. Отсюда видно, что компонента E0, перпендикулярная поверхности металла, возрастает с увеличением угла падения от 0 до к/2, а вместе с ее ростом увеличивается селективный фототок.

Если угол падения световой волны достаточно большой, а ее длина волны лежит в области селективного фотоэффекта, то изменение направления вектора E (ориентации электрического вектора) достаточно отчетливо сказывается на величине фототока.

На рисунке 5.9.7 изображена зависимость величины фототока от длины световой волны для двух ориентаций электрического вектора E относительно плоскости падения волны: перпендикулярной (Е±) и параллельной (En). Приведенные кривые соответствуют* углу падения 60° и относятся к сплаву калия и натрия, максимум селективной чувствительности которого приходится на длину волны А. = 390,0 нм [12]. Отметим, что большой селективный максимум характерен не для чистых щелочных металлов, а для соединений, обычно образующихся на их поверхности вследствие присутствия газов.

Зависимость силы фототока от поляризации света и угла падения говорит о том, что нелинейный фотоэффект обуславливается исключительно слагающей напряженности электрического поля, перпендикулярной к поверхности металла (катода).

Существование у каждого вещества своей «красной границы» фотоэффекта, говорит о том, что минимальная частота V0 падающего на катод света, при которой начинает проявляться фотоэффект, должна определяться частотой колебаний (длиной волны) межатомного эфирного поля вещества, которая, в свою очередь, зависит от строений атома и его электронной оболочки (см. таблицу 5.9.1). Как видно из приведенных в таблице данных, между длиной волны «красной границы» X0, при которой у химических элементов начинает проявляться фотоэффект, и строением электронных оболочек атомов прослеживается вполне определенная связь.

Таблица 5.9.1

У элементов, обладающих фотоэффектом, во внешнем электронном слое находятся только один или два электрона в состоянии s. Подобная конфигурация электронной оболочки атомов обеспечивает изменение частоты и направления колебаний межатомного эфирного поля металла под воздействием световой волны с минимальной затратой энергии. Длина волны “красной границы” располагается между максимальной и минимальной длинами волн основных линий в атомном спектре (Xraax gt; X0 gt; Xmin). Это положение справедливо только для естественного света.

С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать явление фотоэффекта далеко за частотой “красной границей” для естественного света (вплоть до пятикратного уменьшения этой частоты). С позиции эфирной природы света его интенсивность определяется амплитудой колебаний эфитонов в упругой продольной волне. С повышением интенсивности света возрастает амплитуда колебаний эфитонов в световой волне, и поэтому работа входа Un, при которой начинает проявляться фотоэффект, обеспечивается при значениях частоты света, меньше частоты «красной границы». По длине волны «красной границы» X0 все металлы можно разделить на две условные группы: длинноволновые (волны светового диапазона, Х0gt;380 нм) и коротковолновые (волны ультрафиолетового диапазона, X0,lt;380 нм).

К длинноволновым металлам в основном относятся элементы первой группы периодической системы элементов Менделеева. При этом наибольшая длина волны X0 наблюдается у тех элементов, у которых в последнем внутреннем электронном слое атомов не хватает большего количества электронов, а во внешнем электронном слое находится всего один электрон, т.е. у данных атомов наружная сторона электронной оболочки имеет «рыхлую» структуру. Для данных металлов характерным является то, что длина волны «красной границы» находится примерно посредине между максимальной и минимальной длинами волн основных линий в атомном спектре. А это, по-видимому, означает то, что у длинноволновых металлов частота колебаний межатомного эфирного поля под воздействием излучения может изменяться в достаточно широком диапазоне.

У коротковолновых металлов последний внутренний слой электронных оболочек атомов заканчивается заполнением электронами в состоянии d, т.е. наружная сторона электронной оболочки атомов имеет стабильную структуру и, соответственно, частота колебаний межатомного эфирного поля может изменяться в достаточно узком диапазоне. Поэтому у коротковолновых металлов длина волны “красной границы” находится примерно в районе минимальной длины волны основной линии в атомном спектре. У большинства металлов длина волны излучения, при которой наблюдается максимум фототока Xm, лежит между длиной волны “красной границы” X0 и минимальной длиной волны основной линии в атом-

ном спектре Xmin, Xmin gt; Xm lt; X0, а у некоторых металлов (литий, алюминий) она лежит в области X ..              gt;

'              mm

Представляется, что длина волны Xm, при которой наблюдается максимум фототока, должна соответствовать длине волны колебаний межатомного эфирного поля металла, так как в этом случае работа входа Un и сопротивление фототоку будут минимальными, а количество эфитонов, преодолевающих потенциальный барьер — максимально.

Существование селективного фотоэффекта и его характер, зависимость силы фототока от частоты излучения и его поляризации свидетельствуют о том, что причиной проявления фотоэффекта является не только упругая световая волна, но и электромагнитная волна.

Таким образом, внешний фотоэффект определяется суммарным воздействием на металл (катод) как световой упругой волны, так и электромагнитной волны. Когда энергия эфитонов световой волны, определяемая амплитудой и частотой их колебаний, становится способной совершить работу входа Un, они преодолевают потенциальный барьер эфирного поля металла, в результате чего создается разность потенциалов и начинает течь фототок. Поэтому фотоэффект практически безынерционен.

Кроме внешнего фотоэффекта существует внутренний фотоэффект, суть которого состоит в увеличении электропроводимости полупроводников и диэлектриков под действием света. Внутренний фотоэффект можно обнаружить, например, по изменению проводимости однородных полупроводников при их освещении. На основе этого явления (фотопроводимости) созданы фоторезисторы, для которых используются, в основном, селен и сульфид кадмия.

Механизм взаимодействия эфитонов световой волны с эфирным полем полупроводника во внутреннем фотоэффекте такой же, как во внешнем фотоэффекте, но есть некоторые особенности, связанные со строением электронной оболочки атомов.

Рассмотрим селен. Электронная конфигурация его атомов имеет вид 34Se 4s2I4P4 (селен с атомным номером 34 имеет в четвертом электронном слое два электрона в состоянии s и четыре электрона в состоянии р). Так как в первых трех слоях максимальное количество электронов равно 28 (2 — в первом, 8 — во втором, 18 — в третьем), а во внешнем (четвертом) слое находится 6 электронов (четное число электронов), то отсюда следует, что у селена электронные слои заполнены без пропусков (28 + 6 = 34). Такая электронная конфигурация атомов обеспечивает устойчивость ориентации эфитонов межатомного эфирного поля по электрическому вектору E в направлении проводимости селена. У селена основные линии в атомном спектре равны:

X              , — 21 442 A, Xmin, — 1960 А. Вероятно из всей периодической си

стемы элементов только у ксенона максимальная длина основной линии в атомном спектре больше, чем у селена (Хти, — 35 070 А). Такой широкий диапазон частот между максимальной и минимальной линиями в атомном спектре (21442-1960) позволяет селену воспринимать частоты световой волны также в широком диапазоне.

Увеличение электропроводимости полупроводников при облучении их светом обеспечивается, по-видимому, в основном за счет слагаемой от фотоэффекта, т.е. за счет эфитонов световой волны, преодолевших потенциальный барьер эфирного поля селена.

В неоднородных полупроводниках, наряду с изменением проводимости, наблюдается и образование разности потенциалов (фото-э.д.с.). Причиной этого явления (фотогальванического эффекта) является односторонняя проводимость ,полупроводников, в результате которой происходит пространственное разделение внутри объема полупроводника эфитонов, проникающих через потенциальный барьер эфирного поля металла. Так образуется разность потенциалов и возникает электрический ток, т.е. происходит прямое преобразование энергии эфитонов световой волны в электрическую энергию.