KEE/SOES 6. přednáška Fotoelektrický jev Ing. Milan Bělík, Ph.D.

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

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)

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

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

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)

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)

hv - energie dopadajícího fotonu 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:

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.)

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

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

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