Fotoelektrický jav

Z Wikipédie

Fotoelektrický jav. Prichádzajúce EM žiarenie naľavo vyráža elektróny, ktoré sú zobrazené ako letiace doprava, smerom od látky.
Fotoelektrický jav. Prichádzajúce EM žiarenie naľavo vyráža elektróny, ktoré sú zobrazené ako letiace doprava, smerom od látky.

Fotoelektrický jav alebo fotoefekt je experimentálne pozorovaný jav, kedy svetlo vhodnej vlnovej dĺžky pri dopade na kov alebo polovodič vyráža z atómov látky elektróny, ktoré sa potom voľne pohybujú v látke a zvyšujú jej vodivosť (vnútorný fotoelektrický jav) alebo opustia látku (vonkajší fotoelektrický jav). Jav sa využíva napríklad pri konštrukcii fotodiódy alebo fototranzistora.

Vonkajší fotoelektrický jav objavil v roku 1887 nemecký fyzik Heinrich Rudolf Hertz. Kinetická energia vyletujúcich elektrónov nezávisí od intenzity žiarenia, ktoré na povrch kovu dopadá. Zväčšenie intenzity žiarenia vedie k zväčšeniu počtu elektrónov vyletujúcich z kovu. Kinetická energia týchto elektrónov je závislá od frekvencie dopadajúceho žiarenia. Táto závislosť je lineárna, pričom smernica priamky, ktorá ju vyjadruje, sa rovná Planckovej konštante. Túto závislosť nebolo možné vysvetliť z hľadiska klasickej elektromagnetickej teórie.

Albert Einstein našiel pre fotoefekt jednoduché vysvetlenie. Predpokladal, že fotoefekt je proces, pri ktorom platí zákon zachovania energie a že pri tomto jave ide o premenu energie elektromagnetického žiarenia na kinetickú energiu elektrónov. Je to premena, ktorá má v podstate opačný charakter, ako žiarenie absolútne čierneho telesa. Keďže vyžarovanie absolútne čierneho telesa prebieha skokom, Eintein predpokladal, že aj opačný proces musí prebiehať skokom. Takto hypoteticky odvodil existenciu fotónov. Fotónu prisúdil enegiu

ε = hf

kde h je Planckova konštanta a f je frekvencia.

Pri fotoefekte sa fotóny uvoľňujú, keď fotóny majú dostatok energie, aby po jej získaní mohli elektróny prekonať sily, ktoré ich držia v látke. Tú časť energie, ktorá sa spotrebuje na uvoľnenie elektrónu z kovu označme Uo, zostávajúca energia sa premení na kinetickú energiu Ukmv² vyletujúceho elektrónu, potom zo zákona zachovania energie platí

hf=U_o+U_k=U_o+\frac{1}{2}mv^2

Je kuriozitou, že Albertovi Einsteinovi bola udelená Nobelova cena za fyziku práve za objasnenie fotoelektrického javu, a nie za objav teórie relativity, ktorou sa preslávil.

Vonkajší fotoelektrický jav má dnes len malé praktické využitie vo fotonásobičoch (použitých v špeciálnych vedeckých zariadeniach). Vnútorný fotoelektrický jav je základom väčšiny moderných fotosenzorov v optoelektronike, ako sú fotodióda alebo fototranzistor, ako aj plošné snímače na snímanie obrazu použité v kamerách (obvykle typu CCD).

[úprava] Fotoelektrický jav z elektrotechnologického hľadiska:

Vonkajší fotoelektrický jav spočíva v uvoľnovaní (emisii) elektrónov z povrchu polovodiča po pohltení dostatočného množstva svetelnej energie. Časť tejto energie sa spotrebuje na uvolnenie elektrónov. Ak tento jav nastáva len v určitom rozsahu frekvencií, hovoríme o selektívnom fotoelekrickom jave. Na vonkajšom fotoelektrickom jave sa zakladá napríklad aj činosť fotoelektrických katód.

Vnútorný fotoelektrický jav spočíva v pohltení energie svetelného žiarenia elektrónmi, následkom čoho sa zmení ich energia. Pre technické použitie je dôležitý vnútorný fotoelektrický jav, pri ktorom dochádza pohltením svetelnej energie k zvýšeniu koncentrácie voľných nosičov náboja, a tým aj konduktivity polovodiča. Prírastok konduktivity spôsobený týmto javom sa nazíva fotoelektrická konduktivita. Jav sa prejavuje len v určitej oblasti frekvencií svetelného žiarenia a veľkosť fotoelektrickej konduktivity závisí od frekvencie a intenzity žiarenia a veľkosť fotoelektrickej konduktivity závisí od frekvencie a intenzity žiarenia a od teploty. Vnútorný fotoelektrický jav má veľký význam. Zakladá sa ňom činosť fotorezistov, fotonásobičov, fotočlánkov a iné.