Ошибка в компьютерной симуляции фотоэффекта

[worlov]

Следующяя компьютерная симуляция фотоэффекта University of Colorado http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric содержит серьёзную ошибку: в насыщении, т.е. когда приложенное напряжение U >> 0V, при одинаковой интенсивности света, фототок зависит от длины волны света - чем короче волна, тем больше фототок:





Отсюда получается, что фототок растёт не только с интенсивностью света, но и с его частотой, что не соответствует действительности.

Озабоченность вызывает тот факт, что эта инвалидная программа рекомендуется в качестве учебного пособия, переведенна на 30 языков, включая русский, и предлагается ещё на десятке других серверов.

[Circiter]

Вообще-то, спектральная характеристика фотокатода может быть довольно сложной, т.е. катод может по-разному "чувствовать" свет разной частоты... А упомянутый вами закон Столетова вроде-бы формулируется именно для случая спектрально-постоянного излучения различной интенсивности.

К этому может присовокупиться внутренний фотоэффект.

Впрочем, я не спец., будем ждать физиков. :) Кстати, в документации к программульке ведь должны какие-нибудь формулы/объяснения приводиться?

[whiterussian]

А зачем же вы обрезали картинку справа? На какой элемент вы светите?

[Circiter]

(2whiterussian)

Может быть, у вас просто картинки недозагрузились? Я что-то не вижу недостающих частей, жмите ^F5...

[whiterussian]

(Circiter)

Так на какой элемент поток света льется?

[Circiter]

(2whiterussian)

Он льется на катод, впаянный в стеклянную трубку, с другой стороны впаян другой электрод. К электродам приложено напряжение от батарейки, а последовательно в цепь включен амперметр, показания которого оказываются выше при смещении частоты в ультрафиолетовую/рентгеновскую область. Топикстартер же утверждает, что показания не должны измениться, по крайней мере не так значительно.

[apex]

worlov в сообщении #438366 писал(а):

Отсюда получается, что фототок растёт не только с интенсивностью света, но и с его частотой, что не соответствует действительности.

Зависимость фототока от интенсивности света (в пересчёта на электрон/фотон) называется квантовой эффективностью фотокатода. И она конечно-же зависит от длины волны излучения. Для чистых металлов вблизи красной границы эта зависимость очень резкая ($\sim(\Delta\omega)^2$ в теории Фаулера для фотоэмиссии, см например Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. "Эмиссионная электроника").
И хотя плотность потока фотонов обратно пропорциональна частоте волны (при фиксированной интенсивности), спектральная зависимость квантовой эффективности катода тут играет определяющую роль, и фототок растёт с увеличением частоты излучения.

В качестве примера картинка из Физической Энциклопедии под редакцией А.М. Прохорова:

Спектральная зависимость квантового выхода фотоэмиссии для чистой поверхности Сu.

Так что с демонстрацией всё в порядке.

[Munin]

Данный пользователь уже демонстрировал незнакомство с фотоэффектом: post438485.html#p438485 и ранее в 2009 году изобретал лженауку. Также настораживает, что данная тема была создана не в "Физике".

[worlov]

apex в сообщении #440072 писал(а):

В качестве примера картинка из Физической Энциклопедии под редакцией А.М. Прохорова:

Спектральная зависимость квантового выхода фотоэмиссии для чистой поверхности Сu.

Так что с демонстрацией всё в порядке.

Дело в том, что подобные кривые измеряются при отсутствии внешнего поля, т.е. при нулевом напряжении, когда фототок ещё не входит в насыщение. Однако в насыщении этой зависимости не должно быть. Для наглядности


Оригинальный график из http://iitphysics.org/photoelectric_effect.htm

Можете ещё посмотреть здесь
http://ufn.ru/ufn38/ufn38_1/Russian/r381_d.pdf

На 8 странице вы найдёте примерно тот же график, что и ваш - Рис. 4. Однако никакой речи о потенциалах, т.е. внешнем поле не ведётся. Зависимость фототока от частоты и напряжения (и температуры) вы найдёте уже на 33 странице - Рис. 24. Как вы теперь можете убедиться, в насыщении фототок для различных длин волн один и тот же.

[apex]

Дело в том, что помимо занимательных картинок научные работы содержат в себе ещё и текст. И если уж говорить о [не]зависимости фототока от энергии кванта при фиксированной плотности потока фотонов, стоит задумываться над физикой дела.

Во первых по существу: самой, наверное, простой моделью фотоэмиссии можно считать следующую: каждый фотон, достигший поверхности металла, поглощается электроном и сообщает ему энергию $\hbar\omega$. В случае если эта энергия больше работы выхода электрона из металла, электрон его покидает. В таком случае фототок действительно не будет зависеть от длины волны (за красной границей).

Но модель эта бессмысленно простая. Уже потому что приводит к нефизическому скачку зависимости фототока от длины волны при переходе через красную границу. И потому что не учитывает фактически ничего.

Существуют, однако, теории фотоэффекта, предсказания которых достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами для многих чистых металлов. Такова, к примеру, теория Фаулера, о которой идет речь в УФН.
Основные моменты тут следующие:
1. Электроны в металле при конечной температуре изначально имеют распределение Ферми по энергиям и соответственно изотропное распределение по скоростям.
2. При поглощении фотона происходит увеличение энергии электрона на величину $\hbar\omega$. При этом предполагается, что распределение по скоростям останется изотропным и аналогичным пункту 1 с точностью до добавки энергии кванта.
3. Вероятность поглощения фотона не зависит от начальной скорости электрона и длины волны излучения.
4. На основе изотропного распределения по скоростям можно получить функцию распределения электронов, приходящих к границе раздела по значению нормальной к поверхности составляющей скорости.
5. Считается, что функция прозрачности электронного барьера равна 1 для всех пришедших к границе раздела электронов с нормальной энергией (термин из статьи, фактически часть энергии соответствующая движению по нормали к границе) большей работы выхода, и равна нулю для остальных.

Проинтегрировав вышеизложенное нужное количество раз можем получить и фототок, и распределение вышедших фотоэлектронов по энергиям и многое ещё. И всё это конечно при дополнительной куче предположений, о которых я не упоминал. Предположений, приведенных и обоснованных в статье.

И вот отсюда получается теория Фаулера, неплохо согласующаяся с экспериментами по фотоэмиссии из чистых металлов при конечной температуре. И странно было-бы ожидать тут независимости фототока от энергии фотона.

Что касается приведенных вами картинок, надо понимать, что на них нарисовано. Первая картинка (с сайта) иллюстрирует зависимость запирающего напряжения от длины волны. Вторая (рис. 24) фактически иллюстрирует зависимость запирающего напряжения (вернее "кажущегося", получаемого путём интерполяции, подробнее в статье) от температуры, также для различных длин волн. Чтобы эти вещи были ясно видны на графике, требуется пронормировать фототок насыщения до одинакового значения насыщения на различных длинах волн. И ни в одном из этих текстов не говорится что токи насыщения получены при одинаковых плотностях потока фотонов на различных длинах волн. Так что ваша добавка (красным цветом) является ошибочной.


И значения квантовой эффективности измеряются, по понятным причинам, при наличии внешнего поля. В частности, я и сам в свое время измерял такие зависимости.

Поэтому, если у вас и вправду есть сомнения, не приводите красивые картинки, а изложите почему вам кажется что ток насыщения должен быть постоянным.

(Оффтоп)

ничего себе простыня у меня вышла...

[worlov]

apex в сообщении #450083 писал(а):

Чтобы эти вещи были ясно видны на графике, требуется пронормировать фототок насыщения до одинакового значения насыщения на различных длинах волн. И ни в одном из этих текстов не говорится что токи насыщения получены при одинаковых плотностях потока фотонов на различных длинах волн.

Да и ни в одном из текстов не говорится, что фототок нормируется. По умолчанию же такая операция не делается. Это ваша личное предположение.

apex в сообщении #450083 писал(а):

Поэтому, если у вас и вправду есть сомнения, не приводите красивые картинки, а изложите почему вам кажется что ток насыщения должен быть постоянным.

Для меня важен факт, а не то, что мне кажется. Пока что факт - ток насыщения (по крайней мере) мало зависит от частоты, а не растёт с ней линейно. Вот красивая картинка или нет



но текст к ней такой: "This graph shows the typical results of an experiment."

Источник: http://www.cobalt.chem.ucalgary.ca/zieg ... otelec.htm

[Toucan]

Переехали.

[apex]

Это не текст к картинке, а картинка иллюстрирует следующий текст:

Цитата:

This graph shows the typical results of an experiment. For a given light frequency and a particular metal for the cathode, the photocurrent is constant until a large enough retarding potential prevents the ejected electrons from reaching the anode. This potential is called the stopping potential and just matches the kinetic energy of the ejected electrons. When a higher energy light source is used (greater frequency, shorter wavelength), the ejected electrons possess a greater kinetic energy and so the stopping potential is correspondingly larger.

Т.е. опять речь о запирающем напряжении. И вы снова приводите иллюстрации смысл которых не понимаете.

Если ваши догадки о эффекте, который хорошо известен и работает в миллионах устройств (не считая фотодиодов) основаны на картинках из интернета, то беда тут ваша. В таком случае могу лишь предложить вам купить на радиорынке ФЭУ и проверить всё самостоятельно. Благо при наличии интереса это не столь сложно (правда фотокатоды там не металлические, но для начала сойдёт). В том, конечно, случае если не доверяете их паспортным данным.

[Xey]

worlov в сообщении #450149 писал(а):

Да и ни в одном из текстов не говорится, что фототок нормируется. По умолчанию же такая операция не делается. Это ваша личное предположение.

Здесь спектральные чувствительности приемников, снимаются при постоянной мощности пучка (в реальности нормируются по его мощности).


А здесь о квантовом выходе кремниевых . Спектральная характеристика фотодиода в диапазоне 300–900 нм для равного потока квантов. (синяя для обычного приемника)

http://www.electronics.ru/issue/2010/2/11

Сравнивайте, делайте выводы. Может пройдут заморочки.

[worlov]

Xey в сообщении #450697 писал(а):

Сравнивайте, делайте выводы. Может пройдут заморочки.

Честно признаться мне не совсем понятно, по каким причинам вы так возмущяетесь, так как приведённые вами графики в точности соответствуют моему утверждению. Особенно наглядно это видно у InGaAs. В рабочем диапазоне, т.е. от 0.8мкм до 1.5мкм ток практически постоянен. То, что в граничных областях ток может расти или падать с частотой, это само собой разумеется. Так что большое спасибо за подтверждение моей догадки.