Внешний фотоэффект и его законы.

Влияние излучения на электрические процессы называют фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом.

Различают внешний и внутренний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называют вылет электронов из вещества под действием излучения. Большие заслуги в изучении фотоэффекта принадлежат русскому ученому Столетову. В опытах Столетова свет через сетчатый электрод попадал на сплошной, вырывал из него электроны, которые шли к сетчатому электроду и в цепи появляется ток.

При увеличении напряжения ток в цепи возрастает и достигает насыщения. Если увеличить световой поток, то ток насыщения будет больше.

Эти опыты позволили установить 1-й закон внешнего фотоэффекта: фототок насыщения пропорционален падающему на электрод световому потоку. Из графика видно, что даже при напряжении равном нулю, ток нулю не равен. Это значит, что излучение вырывая электроны сообщает им кинетическую энергию. Поменяем полярность включения и будем увеличивать обратное напряжение. При некотором его значении ток прекратится, такое напряжение называют запирающим. Это значит, что даже самые быстрые электроны не могут преодолеть тормозящего действия поля. При этом выполняется соотношение:

Зная заряд электрона и измерив запирающее напряжение, можно определить максимальную кинетическую энергию выбираемых излучением электронов. Эти опыты позволили установить 2-й закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия выбиваемых излучением электронов не зависит от интенсивности излучения, а определяется длиной волны или частотой и материалом электрода. Направляя на электрод излучения различного цвета заметили, что при увеличении длины волны при некотором ее значении определенном для данного материала фототок прекращается. Наибольшая длина волны, при которой еще можно наблюдать фотоэффект называется красной границей фотоэффекта для данного материала.

Опыты с различными материалами позволили установить 3-й закон фотоэффекта: красная граница фотоэффекта определяется только материалом электрода и не зависит от интенсивности излучения.

Объяснение законов внешнего фотоэффекта на основе квантовой теории.

Объяснение законов фотоэффекта дал Эйнштейн в 1905 году. Согласно его объяснению при поглощении одного кванта вырывается ровно один электрон, поэтому, чем больше интенсивность излучения, тем больше квантов падает на электрод, тем больше их количество может быть поглощено, а значит выбито электронов, тем выше ток насыщения. Поэтому фототок насыщения пропорционален падающему на электрод световому потоку. Это и есть объяснение 1-го закона.

Энергия поглощенного кванта частично расходуется на совершение работы выхода, а оставшаяся часть составляет кинетическую энергию электронов. Причем наибольшей энергией будут обладать электроны, поглотившие кванты вблизи поверхности металла и не успевшие растерять ее на столкновение с другими частицами. Математически это выражается формулой Эйнштейна для фотоэффекта:

Отсюда видно, что максимальная кинетическая энергия выбиваемых излучением электронов зависит только от энергии кванта, а значит от частоты или длины волны излучения и еще от работы выхода, а значит от материала электрода. Это есть объяснение 2-го закона.

Если энергия кванта меньше работы выхода, то ни при какой интенсивности излучения фотоэффект наблюдаться не будет. Если энергия кванта равна работе выхода, фотоэффект еще можно наблюдать:

Отсюда видно, что красная граница зависит от работы выхода, а значит от материала электрода и не зависит от интенсивности излучения. Это и есть объяснение 3-го закона.

Внутренний фотоэффект.

В 1873 году английские электрики Мэй и Смит при прокладке подводного кабеля в качестве изоляции применили селен и заметили, что изоляционные свойства селена на свету резко ухудшаются, потому что селен – полупроводник, на свету образуются пары: электрон-дырка, т.е. носители заряда. Генерация свободных носителей зарядов в полупроводнике под действием излучения называется внутренним фотоэффектом. Дополнительная проводимость полупроводника, обусловленная облучением, называется фотопроводимостью.

Внутренний фотоэффект отличается от внешнего фотоэффекта тем, что при внутренним заряды остаются внутри вещества, а при внешнем вылетают. Поэтому внутренний фотоэффект можно вызвать более длинноволновым излучением. Внутренний фотоэффект используют в устройстве фотосопротивлений и фотоэлементов.

Применение фотоэффекта.

а) Фотосопротивления изготавливают следующим образом: на изолятор с электродами в виде полосок наносят тонкий слой полупроводника и покрывают пленкой прозрачного лака. В качестве полупроводника используют: кремний, селен, сернисный таллий, сернистый кадмий и др.

Достоинство фотосопротивления: простота изготовления, большой срок службы, малые размеры, высокая фоточувствительность, возможность выбора фотосопротивления для нужного интервала длин волн, в том числе и для инфракрасной области.

Недостатки: отсутствие пропорциональности между током и интенсивностью освещения, влияние окружающей среды, инерционность.

б) Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом изготавливают следующим образом: на полупроводник n-типа наносят тонкий слой полупроводника, р-типа порядка 1 микрон с контактами для вывода к внешней цепи. Под действием излучения в полупроводнике р-типа образуются пары электрон-дырки, которые не успев рекомбинировать попадают в р-n-переход, где происходит разделение зарядов. Дырки отбрасывают в р-область, а электроны в n-область. Возникает э.д.с., а при замыкании цепи ток. Фотоэлемент может дать до 25 миллиампер с каждого сантиметра квадратного освещаемой поверхности. Коэффициент полезного действия 12-16%, в лабораторных условиях 18%. Реально в ближайшее время создать фотоэлемент с КПД 35-40%. Кремниевые фотоэлементы чувствительны к солнечному излучению и называются солнечными батареями.

Фотоэлементы применяют для питания автономных систем и космического электрического оборудования, в солнечных электрических станциях, которые являются экологически чистыми, экономически выгодными.

в) Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливают: стеклянный вакуумный баллончик с 2-мя электродами. Выводами служат металлические колпачки. Один электрод – в виде сеточки или диска внутри баллончика, а вторым электродом служит светочувствительный слой нанесенный внутри баллончика, для этого слоя используют щелочные металлы.

Достоинство: безинерционность и пропорциональность фототока интенсивности излучения.

Недостаток: слабый ток, недостаточная чувствительность к длинноволновому излучению, хрупкость и сравнительная сложность изготовления.

Применяют в автоматике и для воспроизведения оптической записи звука. Обозначают на схемах:

Явления люминесценции.

Люминесценция – холодное свечение. Различают три вида люминесценции: электролюминесценция, фотолюминесценция и катодолюминесценция.

1) электролюминесценция - свечение разреженного газа при прохождении тока. Прямой ток через р-n-переход сопровождается интенсивной рекомбинацией электронов и дырок с выделением квантового излучения.

2) фотолюминсценция – переизлучение. Различают два вида фотолюминесценции: флюоресценция (время после свечения мало) и фосфоресценция (время после свечения велико).

Кристаллические вещества сильно и длительно фосфоресцирующие называются кристаллофосфорами. Светящиеся составы, у которых фосфоресценция обусловлена присутствием небольшого количества примесей активаторов называются люминофорами.

Правила Стокса: спектр фотолюминесценции сдвинут в сторону длинных волн по сравнению со спектром поглощенного излучения: hn = hn₀ – A

Энергия излучаемых квантов меньше, чем энергия поглощенных, а значит длина волны больше, так как часть энергии теряется. Спектр излучения зависит от вещества, это используется при люминесцентном анализе. Чувствительность метода достаточна высока: достаточно 10^-7 – 10^{-9 г вещества на см3}.

3) катодолюминесценция - свечение экранов при ударе о них заряженных частиц. Люминесценция широко используется в источниках света, рекламных трубках при изготовлении экранов телевизоров, люминесцентных красок. Люминофоры используют для обнаружения рентгеновского и ультрафиолетового излучений, а также инфракрасных лучей. Под действием инфракрасных лучей светящиеся экраны быстро темнеют. Для простых кинескопов используются кристаллофосфоры, содержащие смесь сернистого цинка и сернистого кадмия, активированных серебром, дающие голубоватое свечение. В кинескопах цветных телевизоров на экране упорядочено расположены зерна трех кристаллофосфоров, светящихся красным, зеленым и синим цветом. Они возбуждаются тремя отдельными электронными лучами. Интенсивностью этих лучей управляют видеосигналы от трех передающих трубок с красным, зеленым и синим светофильтрами соответственно.

⇐ Предыдущая 24 25 26 27 282930 31 32 33 Следующая ⇒