EFEKT FOTOELEKTRYCZNY ZEWNĘTRZNY I WEWNĘTRZNY KRZYSZTOF DŁUGOSZ KRAKÓW,

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY EFEKT FOTOELEKTRYCZNY (ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE, FOTOEFEKT, FOTOEMISJA) – ZJAWISKO FIZYCZNE POLEGAJĄCE NA EMISJI ELEKTRONÓW Z POWIERZCHNI PRZEDMIOTU, ZWANE RÓWNIEŻ PRECYZYJNIEJ ZJAWISKIEM FOTOELEKTRYCZNYM ZEWNĘTRZNYM. ZJAWISKO FIZYCZNE POLEGAJĄCE NA EMISJI ELEKTRONÓW Z POWIERZCHNI PRZEDMIOTU, ZWANE RÓWNIEŻ PRECYZYJNIEJ ZJAWISKIEM FOTOELEKTRYCZNYM ZEWNĘTRZNYM. W ZJAWISKU FOTOELEKTRYCZNYM WEWNĘTRZNYM NOŚNIKI ŁADUNKU SĄ PRZENOSZONE POMIĘDZY PASMAMI ENERGETYCZNYMI, NA SKUTEK NAŚWIETLANIA PROMIENIOWANIEM ELEKTROMAGNETYCZNYM (NA PRZYKŁAD ŚWIATŁEM WIDZIALNYM) O ODPOWIEDNIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI, ZALEŻNEJ OD RODZAJU PRZEDMIOTU. W ZJAWISKU FOTOELEKTRYCZNYM WEWNĘTRZNYM NOŚNIKI ŁADUNKU SĄ PRZENOSZONE POMIĘDZY PASMAMI ENERGETYCZNYMI, NA SKUTEK NAŚWIETLANIA PROMIENIOWANIEM ELEKTROMAGNETYCZNYM (NA PRZYKŁAD ŚWIATŁEM WIDZIALNYM) O ODPOWIEDNIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI, ZALEŻNEJ OD RODZAJU PRZEDMIOTU.

HIPOTEZA EINSTEINA (1905)

ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE WIĄZKA ŚWIATŁA O WYSTARCZAJĄCO KRÓTKIEJ FALI SKIEROWANA NA CZYSTĄ POWIERZCHNIĘ METALU POWODUJE UWOLNIENIE ELEKTRONÓW Z TEJ POWIERZCHNI (ŚWIATŁO WYBIJA ELEKTRONY Z POWIERZCHNI). WIĄZKA ŚWIATŁA O WYSTARCZAJĄCO KRÓTKIEJ FALI SKIEROWANA NA CZYSTĄ POWIERZCHNIĘ METALU POWODUJE UWOLNIENIE ELEKTRONÓW Z TEJ POWIERZCHNI (ŚWIATŁO WYBIJA ELEKTRONY Z POWIERZCHNI). Rysunek 1. Wybicie elektronów z powierzchni. Źródło: wikipedia.pl

ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE CD.

ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE – STUDNIA POTENCJAŁU WIDZIANA PRZEZ ELEKTRON WCHODZĄCY DO METALU

ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE CD.

ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE CD. – SCHEMATYCZNE PRZEDSTAWIENIE

DOŚWIADCZENIE FOTOELEKTRYCZNE 1 ŚWIATŁO O CZĘSTOŚCI v JEST KIEROWANE NA TARCZĘ T, Z KTÓREJ WYBIJA ELEKTRONY. V – RÓŻNICA POTENCJAŁÓW POMIĘDZY TARCZĄ T I KOLEKTOREM K, POWODUJĄCA GROMADZENIE ELEKTRONÓW PRZEZ KOLEKTOR. i – PRĄD FOTOELEKTRYCZNY TWORZONY PRZEZ ZEBRANE ELEKTRONY (FOTOELEKTRONY) A – GALWANOMETR. Rysunek 4. Aparatura używana do badania zjawiska fotoelektrycznego. Źródło: David Holliday, Robert Resnick, Jearl Walker: Podstawy fizyki

DOŚWIADCZENIE FOTOELEKTRYCZNE 1- PRZEBIEG

DOŚWIADCZENIE FOTOELEKTRYCZNE 1- WNIOSKI

DOŚWIADCZENIE FOTOELEKTRYCZNE 2 Rysunek 5. Zależność potencjału hamującego od częstości światła padającego na elektrodę wykonaną z sodu. Źródło: David Holliday, Robert Resnick, Jearl Walker: Podstawy fizyki

DOŚWIADCZENIE FOTOELEKTRYCZNE 2 CD. ELEKTRONY SĄ UTRZYMYWANE WEWNĄTRZ TARCZY SIŁAMI ELEKTRYCZNYMI. DO UWOLNIENIA SIĘ Z JEJ POWIERZCHNI WYSTARCZY ELEKTRONOWI PEWNA MINIMALNA ENERGIA. ENERGIA TA JEST CHARAKTERYSTYCZNA DLA MATERIAŁU, Z KTÓREGO WYKONANA JEST TARCZA I NAZYWANA JEST PRACĄ WYJŚCIA. ELEKTRONY SĄ UTRZYMYWANE WEWNĄTRZ TARCZY SIŁAMI ELEKTRYCZNYMI. DO UWOLNIENIA SIĘ Z JEJ POWIERZCHNI WYSTARCZY ELEKTRONOWI PEWNA MINIMALNA ENERGIA. ENERGIA TA JEST CHARAKTERYSTYCZNA DLA MATERIAŁU, Z KTÓREGO WYKONANA JEST TARCZA I NAZYWANA JEST PRACĄ WYJŚCIA. JEŚLI ENERGIA hv PRZEKAZANA PRZEZ FOTON ELEKTRONOWI PRZEWYŻSZA TĘ PRACĘ WYJŚCIA TO ELEKTRON ZOSTAJE UWOLNIONY Z TARCZY. JEŚLI ENERGIA hv PRZEKAZANA PRZEZ FOTON ELEKTRONOWI PRZEWYŻSZA TĘ PRACĘ WYJŚCIA TO ELEKTRON ZOSTAJE UWOLNIONY Z TARCZY.

RÓWNANIE EINSTEINA

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY WEWNĘTRZNY W EFEKCIE FOTOELEKTRYCZNYM WEWNĘTRZNYM ENERGIA FOTONU TEŻ JEST CAŁKOWICIE POCHŁANIANA PRZEZ ELEKTRON, ALE ELEKTRON NIE JEST UWALNIANY, JAK TO MA MIEJSCE W ZJAWISKU FOTOELEKTRYCZNYM ZEWNĘTRZNYM; PRZENOSI SIĘ ON DO PASMA PRZEWODNICTWA, ZMIENIAJĄC TYM SAMYM WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE MATERIAŁU (FOTOPRZEWODNICTWO). ZJAWISKO TO ZACHODZI TYLKO WÓWCZAS, GDY ENERGIA FOTONU JEST WIĘKSZA, NIŻ WYNOSI SZEROKOŚĆ PASMA WZBRONIONEGO (ODLEGŁOŚĆ ENERGETYCZNA MIĘDZY PASMEM WALENCYJNYM A PASMEM PRZEWODNICTWA). PRZENOSZENIE ELEKTRONÓW PRZEZ FOTONY NA WYŻSZE POZIOMY ENERGETYCZNE W POBLIŻU ZŁĄCZA WYWOŁUJE SIŁĘ ELEKTROMOTORYCZNĄ NA STYKU DWÓCH MATERIAŁÓW POD WPŁYWEM ŚWIATŁA, ZJAWISKO TO ZWANE JEST FOTOELEKTRYCZNYM ZJAWISKIEM ZAWOROWYM LUB ZJAWISKIEM FOTOWOLTAICZNYM. W EFEKCIE FOTOELEKTRYCZNYM WEWNĘTRZNYM ENERGIA FOTONU TEŻ JEST CAŁKOWICIE POCHŁANIANA PRZEZ ELEKTRON, ALE ELEKTRON NIE JEST UWALNIANY, JAK TO MA MIEJSCE W ZJAWISKU FOTOELEKTRYCZNYM ZEWNĘTRZNYM; PRZENOSI SIĘ ON DO PASMA PRZEWODNICTWA, ZMIENIAJĄC TYM SAMYM WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE MATERIAŁU (FOTOPRZEWODNICTWO). ZJAWISKO TO ZACHODZI TYLKO WÓWCZAS, GDY ENERGIA FOTONU JEST WIĘKSZA, NIŻ WYNOSI SZEROKOŚĆ PASMA WZBRONIONEGO (ODLEGŁOŚĆ ENERGETYCZNA MIĘDZY PASMEM WALENCYJNYM A PASMEM PRZEWODNICTWA). PRZENOSZENIE ELEKTRONÓW PRZEZ FOTONY NA WYŻSZE POZIOMY ENERGETYCZNE W POBLIŻU ZŁĄCZA WYWOŁUJE SIŁĘ ELEKTROMOTORYCZNĄ NA STYKU DWÓCH MATERIAŁÓW POD WPŁYWEM ŚWIATŁA, ZJAWISKO TO ZWANE JEST FOTOELEKTRYCZNYM ZJAWISKIEM ZAWOROWYM LUB ZJAWISKIEM FOTOWOLTAICZNYM. ŹRÓDŁO: WIKIPEDIA

ZASTOSOWANIE EFEKTU FOTOELEKTRYCZNEGO EFEKT FOTOELEKTRYCZNY JEST POWSZECHNIE WYKORZYSTYWANY W: FOTOKOMÓRKACH, FOTOKOMÓRKACH, BATERIACH SŁONECZNYCH, BATERIACH SŁONECZNYCH, FOTOPOWIELACZACH, FOTOPOWIELACZACH, NOKTOWIZORACH, NOKTOWIZORACH, ELEMENTACH CCD W APARATACH CYFROWYCH, ELEMENTACH CCD W APARATACH CYFROWYCH, FOTODIODACH ITD. FOTODIODACH ITD. POCHŁANIANE PRZEZ TE URZĄDZENIA ŚWIATŁO WYKORZYSTYWANE JEST DO WYTWARZANIA PRĄDU ELEKTRYCZNEGO I GENEROWANIA ŁADUNKU, KTÓREGO ILOŚĆ MOŻNA ZMIERZYĆ. Zdjęcie 1. Baterie słoneczne. Źródło: wikipedia.

FOTODIODY ZASADA DZIAŁANIA: DIODĘ P – N POLARYZUJEMY W KIERUNKU ZAPOROWYM (PRĄD NIE PŁYNIE LUB PŁYNIE BARDZO MAŁY PRĄD) ZASADA DZIAŁANIA: DIODĘ P – N POLARYZUJEMY W KIERUNKU ZAPOROWYM (PRĄD NIE PŁYNIE LUB PŁYNIE BARDZO MAŁY PRĄD) Rysunek 6. Zasada działania fotodiody. Źródło:

FOTODIODY CD. ZASADA DZIAŁANIA: ŚWIATŁO PADA NA OBSZAR ZŁĄCZA, GENERUJE PARY ZASADA DZIAŁANIA: ŚWIATŁO PADA NA OBSZAR ZŁĄCZA, GENERUJE PARY ELEKTRON – DZIURA. Rysunek 7. Zasada działania fotodiody.

FOTODIODY CD. Rysunek 8. Zasada działania fotodiody.

MATRYCA CCD – ZASTOSOWANIE EFEKTU FOTOELEKTRYCZNEGO WEWNĘTRZNEGO Kiedy foton uderzy w atom, może spowodować przeskoczenie elektronu na wyższą powłokę, a w niektórych przypadkach uwolnienie nośnika ładunku (dziur lub elektronów, w zależności od użytego materiału półprzewodnikowego) – jest to tzw. efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Kiedy powierzchnia matrycy CCD jest oświetlona, uwolnione zostają nośniki, które gromadzą się w kondensatorach. Nośniki te zostają przesunięte w miarowych impulsach elektrycznych oraz zostają "przeliczone" przez obwód, który wyłapuje nośniki z każdego elementu światłoczułego, przekazuje je do kondensatorów, mierzy, wzmacnia napięcie i ponownie opróżnia kondensatory. Ilość nośników zebranych w ten sposób w pewnym przedziale czasu zależy od natężenia światła. W efekcie otrzymujemy dla każdego elementu światłoczułego informację o wartości natężenia padającego na nie światła, czyli w praktyce informację o jasności obserwowanej w danym punkcie barwy. Rysunek 9. Zasada działania CCD. Źródło: wikipedia.

ŹRÓDŁA JAY OREAR, FIZYKA, TOM 2. JAY OREAR, FIZYKA, TOM 2. HALLIDAY, RESNICK, WALKER, PODSTAWY FIZYKI TOM 5. HALLIDAY, RESNICK, WALKER, PODSTAWY FIZYKI TOM 5. R. P. FEYNMAN, WYKŁADY Z FIZYKI TOM 3. R. P. FEYNMAN, WYKŁADY Z FIZYKI TOM 3. E. H. WICHMANN, FIZYKA KWANTOWA. E. H. WICHMANN, FIZYKA KWANTOWA. WIKIPEDIA.PL WIKIPEDIA.PL

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ EFEKT FOTOELEKTRYCZNY ZEWNĘTRZNY I WEWNĘTRZNY