|
|
§ 4 Внутренний фотоэффект. Фотоэлементы Внутренний фотоэффект - перераспределение электронов по энергетическим уровням в диэлектриках я полупроводниках (но не в металлах) под действием света. Если энергия кванта hv падающего света превышает ширину запрещенной зоны в диэлектрике или полупроводнике, то электрон, поглотивший квант, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого перехода образуется пара носителей: в зоне проводимости электрон, а в валентной зоне - дырка. Таким образом, в зоне проводимости появляются носители заряда, и при включении полупроводника в цепь по ней будет протекать ток или при приложении внешнего электрического поля будет протекать ток, изменяющийся в зависимости от освещенности. Внутренний фотоэффект приводит:
На использовании внутреннего фотоэффекта основано действие фотоэлементов – устройств, преобразующих световую энергию в электрическую, или изменяющих свои свойства под действием падающего света. Изменяющие свойства работают ка внутреннем фотоэффекте: фотосопротивления (ФС), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ), фоторезисторы, фотомикросхемы. Оптоэлектронная пара - в одном корпусе заключены источник света и фотоприемник - используются для гальванической развязки цепей. Устройства, преобразующие световую энергию в электрическую, используют вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта) - возникновение фото ЭДС на p-n переходе или на границе металла с полупроводниками. Устройства на вентильном фотоэффекте используются в фотоаппаратах, в солнечных батареях, в калькуляторах, на спутниках, в некоторых домах. Фотоэлементы используются также в фотометрии, спектрометрии, в астрофизике, биологии и т.д. Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах, фотоумножителях, в видиконах (трубки теле - и видеокамер) и т.д.
Эйнштейн получил формулу, связывающую массу и энергию. Формула Эйнштейна:
Для фотона Е= Е0, следовательно . Отсюда масса фотона:
Фотон отличается от макроскопических тел и элементарных частиц тем, что он является элементарной частицей света, которая в любой среде движется со скоростью света и не имеет массы покоя m0фотона = 0.Масса покоя - это масса, которой обладает частица при V =0, т.о., покоящихся фотонов не существует. Если свет остановить, то это означает, что энергия света поглотится веществом и света не будет. Массу фотона следует считать полевой массой, это означает, что свет обладает массой связанной с элементарным полем световой волны. Фотон обладает энергией, но всякой энергия соответствует масса (это следует из ). Если понимать под Е энергию электромагнитного поля, то под m следует понимать массу электромагнитного поля световой волны, т.о., поле, как и вещество, имеет энергию и массу. Поле - одна из форм существования материи. Наличие у поля энергии и массы является доказательством материальности электромагнитного поля.
где с= 3 · 108 м/с, m0 - масса покоя, т.к. для фотона m0 = 0, то. Е =ср, следовательно,
Из сказанного выше следует, что фотон, как и любая другая частица, обладает энергией, импульсом и массой. Эти корпускулярные характеристики фотона связаны с волновой характеристикой света – частотой:
Проявление корпускулярно-волновой двойственности света - свет является волной и частицей. Экспериментальным доказательством наличия у фотона импульса является световое давление. Излучение, падающее на поверхность тела, оказывает на него давление. Вектор волны приводит в упорядоченное движение элементарные заряды в веществе, а магнитное поле действует на эти заряды с силой Лоренца. Эта сила оказывается направленной в сторону распространения излучения. Равнодействующая всех этих сил воспринимается как давление, оказываемое излучением на тело. Это объяснение давления с волновой точки зрения. С точки зрения квантовой теории давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.
Пусть свет падает на нормали к поверхности. Если в единицу времени (t = 1с) на единицу площади (S = 1м2) поверхности тела задает N фотонов, то при коэффициенте отражения
света от поверхности ρ – N фотонов отразится, а (1 – ρ) N - поглотится. Каждый фотон, поглощенный поверхностью, передаст ей импульс а каждый отраженный
Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с N фотонов:
где - энергетическая освещенность - энергия всех фотонов, падающая на единицу поверхности в единицу времени, , - объемная плотность энергии. Давление света при нормальном падении
Давление света, если свет падает под углом і:
Число фотонов в единице объема (концентрация фотонов):
[n] = м-3. Число фотонов, падающих в единицу времени на единицу площади:
Эффект Комптона Еще одним эффектом, в котором проявляются корпускулярные свойства света, является эффект А. Комптона (1923 г.), заключающийся в изменении длины волны, рассеянного легкими атомами (парафин, графит, бор) рентгеновского излучения. Схема опытов Комптона: монохроматические рентгеновские лучи, создаваемые рентгеновской трубкой А, проходят через диафрагмы Д и узким пучком направляются на легкое рассеивающее вещество В. Лучи, рассеянные на угол θ, регистрируются приемником рентгеновских лучей Пр. - рентгеновским спектрографом, в котором измеряется длина волны рассеянных рентгеновских лучей. Опыты Комптона показали, что длина волны λ’ рассеянного света больше длины волны λ падающего свежа, причем разность λ’ – λ зависит только от угла рассеяния θ:
- комптоновская длина волны, определяется массой исследуемого вещества. Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. В легких атомах электроны слабо связаны с ядрами, поэтому электроны можно считать свободным. Тогда эффект Комптона - результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами. Для упругого столкновения выполняется закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Закон сохранения энергии для эффекта Комптона (энергия системы до взаимодействия равняется энергия системы после взаимодействия)
где hν - энергия падающего фотона, m0c - энергия покоящегося электрона, hν’ - энергия рассеянного фотона, hν + m0c - энергия до взаимодействия. Закон сохранения импульса для эффекта Комптона:
- импульс падающего фотона; р' - импульс электрона отдачи; - импульс рассеянного фотона. Масса релятивистской частицы
Энергия (1) (2) Возведем в квадрат и учтем, что
(3) Из (2) следует (4)
Сравнивая (3) и (4) получим:
Умножим на и получим
Учтём
следовательно,
Корпускулярно-волновая двойственность свойств света В таких опытах как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия проявляются волновые свойства света и для описания света используются волновые характеристика: λ,ν. В эффектах квантовой оптики: тепловое излучение, фотоэффект, фотохимическое действие света, давление света, эффект Комптона, свет проявляет себя как частица и для его описания используются корпускулярные характеристики: масса, импульс. Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показали, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов. Свет имеет сложные корпускулярно-волновые свойства: обладает одновременно и волновыми и квантовыми свойствами - корпускулярно-волновая дуализм (двойственность) свойств света. Связь корпускулярных и волновых свойств света отражают формулы для энергии, импульса, массы фотона:
Волновые свойства играют определенную роль в закономерностях распространения света, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше λ(меньше ν), тем меньше р и Е фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света (например, фотоэффект происходит только при hv>Aвыx). Чем меньше λ (больше ν), тем труднее обнаружить волновые свойства света. Например, рентгеновские лучи λ ~ 10-10 м дифрагируют только на кристаллической решетке Твердого тела. Взаимосвязь между волновыми и корпускулярными свойствами света объясняют с помощью статических методов. Волновые свойства присущи не только большой совокупности фотонов, но и каждому фотону в отдельности.
|