§ 4 Внутрішній фотоефект. Фотоелементи

Внутрішній фотоефект - перерозподіл електронів по енергетичних рівнях у діелектриках я напівпровідниках (але не в металах) під дією світла. Якщо енергія кванта hv падаючого світла перевищує ширину забороненої зони в діелектрику або напівпровіднику, то електрон, що поглинув квант, переходить із валентної зони в зону провідності. У результаті цього переходу утворюється пара носіїв: у зоні провідності електрон, а у валентній зоні - дірка. Таким чином, у зоні провідності з'являються носії заряду, і при включенні напівпровідника в ланцюг по ній буде протікати струм або при додатку зовнішнього електричного поля буде протікати струм, що змінюється залежно від освітленості.

Внутрішній фотоефект приводить:

  1. До зміни концентрації носіїв у зоні провідності ( тобто зміні провідності);
  2. Виникненню фото ЭДС.

 

На використанні внутрішнього фотоефекта заснована дія фотоелементів – обладнань, що перетворять світлову енергію в електричну, або властивості, що змінюють свої, під дією падаючого світла.

властивості, що змінюють, працюють ка внутрішньому фотоефекті: фотоопору (ФС), фотодіоди (ФД), фототранзистори (ФТ), фоторезистори, фотомікросхеми. Оптоелектронна пара - в одному корпусі укладені джерело світла й фотоприймач - використовуються для гальванічної розв'язки ланцюгів.

Обладнання, що перетворять світлову енергію в електричну, використовують вентильний фотоефект (різновид внутрішнього фотоефекта) - виникнення фото ЕРС на p-n переході або на границі металу з напівпровідниками. Обладнання на вентильному фотоефекті використовуються у фотоапаратах, у сонячних батареях, у калькуляторах, на супутниках, у деяких будинках. Фотоелементи використовуються також у фотометрії, спектрометрії, в астрофізику, біології і т.д.

Зовнішній фотоефект використовується у вакуумних фотоелементах, фотопомножувачах, у видиконах (трубки теле - і відеокамер) і т.д.

 

 

 

 

 







  
Маса й імпульс фотона. Тиск світла

Фотон - це квант світла. Згідно з гіпотезою світлових квантів Ейнштейна, випущення, поглинання й поширення світла відбувається дискретними порціями (квантами), названими фотонами (фото – світло). Енергія фотона:

Ейнштейн одержав формулу, що зв'язує масу й енергію. Формула Ейнштейна:

Для фотона Е= Е0, отже. Звідси маса фотона:

Фотон відрізняється від макроскопічних тіл і елементарних часток тим, що він є елементарною часткою світла, яка в будь-якому середовищі рухається зі швидкістю світла й не має маси спокою m0фотона = 0.Маса спокою - це маса, якої має частка при V =0, таким чином фотонів, що спочивають, не існує. Якщо світло зупинити, то це означає, що енергія світла поглинеться речовиною й світла не буде. Масу фотона слід уважати польовою масою, це означає, що світло має масу пов'язаної з елементарним полем світлової хвилі. Фотон має енергію, але всякої енергія відповідає маса (це випливає з ). Якщо розуміти під Е енергію електромагнітного поля, то під m слід розуміти масу електромагнітного поля світлової хвилі, таким чином, поле, як і речовина, має енергію й масу. Поле - одна з форм існування матерії. Наявність у поля енергії й маси є доказом матеріальності електромагнітного поля.

  1.  Крім енергії й маси, фотон має імпульс Р. У загальній теорії відносності отриманий зв'язок між енергією й імпульсом:

де с= 3 · 108 м/с,

m0 - маса спокою, тому що для фотона m0 = 0, то. Е =ср, отже,

Зі сказаного вище випливає, що фотон, як і будь-яка інша частка, має енергію, імпульс і масою. Ці корпускулярні характеристики фотона пов'язані із хвильовою характеристикою світла – частотою:

Прояв корпускулярно-хвильової подвійності світла - світло є хвилею й часткою.

Експериментальним доказом наявності у фотона імпульсу є світловий тиск. Випромінювання, що падає на поверхню тіла, виявляє на нього тиск. Вектор     хвилі приводить в упорядкований рух елементарні заряди в речовині, а магнітне поле діє на ці заряди із силою Лоренца. Ця сила виявляється спрямованої убік поширення випромінювання. Рівнодіюча всіх цих сил сприймається як тиск, надаване випромінюванням на тіло. Це пояснення тиску із хвильової точки зору. З погляду квантової теорії тиск світла на поверхню обумовлене тим, що кожний фотон при зіткненні з поверхнею передає їй свій імпульс.

 

Нехай світло падає на нормалі до поверхні. Якщо в одиницю часу (t = 1 с) на одиницю площі (S = 1 м2) поверхні тіла задає N фотонів, то при коефіцієнті відбиття

світла від поверхні  ρ – N фотонів відіб'ється, а (1 – ρ) N - поглинеться. Кожний фотон, поглинений поверхнею, передасть їй імпульс

а кожний відбитий

Тиск світла на поверхню дорівнює імпульсу, який передають поверхні в 1 с N фотонів:       

де             - енергетична освітленість - енергія всіх фотонів, що падає на одиницю поверхні в одиницю часу, ,  - об'ємна густина енергії.

Тиск світла при нормальному падінні

Тиск світла, якщо світло падає під кутом і:

Число фотонів в одиниці об'єму (концентрація фотонів):

[n] = м-3.

Число фотонів, що падають в одиницю часу на одиницю площі:

Ефект Комптона

Ще одним ефектом, у якому проявляються корпускулярні властивості світла, є ефект А. Комптона ( 1923 р.), що полягає в зміні довжини хвилі, неуважного легкими атомами (парафін, графіт, бор) рентгенівського випромінювання.

Схема дослідів Комптона: монохроматичні рентгенівські промені, створювані рентгенівською трубкою А, проходять через діафрагми Д и вузьким пучком направляються на легку речовину, що розсіює В. Промені, неуважні на кут θ, реєструються приймачем рентгенівських променів Пр. - рентгенівським спектрографом, у якому виміряється довжина хвилі неуважних рентгенівських променів. Досвіди Комптона показали, що довжина хвилі λ' розсіяного  світла більше довжини хвилі λ падаючого свіжа, причому різниця λ' – λ залежить тільки від кута розсіювання θ::

- комптоновская довжина хвилі, визначається масою досліджуваного речовини.

Пояснення ефекту Комптона дане на основі квантових вистав про   природу світла.

У легких атомах електрони слабко пов'язані з ядрами, тому електрони можна вважати вільним. Тоді ефект Комптона - результат пружного зіткнення рентгенівських фотонів з вільними електронами. Для пружного зіткнення виконується закон збереження енергії й закон збереження імпульсу.

Закон збереження енергії для ефекту Комптона (енергія системи до взаємодії рівняється енергія системи після взаємодії)

где   - енергія падаючого фотона

m0c - енергія спочиваючого електрона,

 - енергія неуважного фотона,

+ m0c -енергія до взаємодіїя.

Закон збереження імпульсу для ефекту Комптона:

- імпульс падаючого фотона;

р' - імпульс електрона віддачі;

- імпульс неуважного фотона.

Маса релятивістської частки

Енергія

                                                 (1)  

                                                                                (2)  

Піднесемо до квадрата й урахуємо, що

Преобразование

                                                    (3)

 З (2) випливає

                                                          (4)

                                                                      

Порівнюючи (3) і (4) одержимо:

                                                            

Помножимо на  й одержимо

Урахуємо

отже,

Корпускулярно-хвильова подвійність властивостей світла

У таких досвідах як інтерференція, дифракція, поляризація, дисперсія проявляються хвильові властивості світла й для опису світла використовуються хвильові характеристика: λ,ν. В ефектах квантової оптики: теплове випромінювання, фотоефект, фотохімічна дія світла, тиск світла, ефект Комптона, світло проявляє себе як частка й для його опису використовуються корпускулярні характеристики: маса, імпульс. Розвиток оптики, уся сукупність оптичних явищ показали, що властивості безперервності, характерні для електромагнітного поля світлової хвилі не слід протиставляти властивостям дискретності, характерним для фотонів. Світло має складні корпускулярно-хвильові властивості: має одночасно й хвильові й квантові властивості - корпускулярно-хвильова дуалізм (подвійність) властивостей світла.

Зв'язок корпускулярних і хвильових властивостей світла відбивають формули для енергії, імпульсу, маси фотона:

   

Хвильові властивості відіграють певну роль у закономірностях поширення світла, інтерференції, дифракції, поляризації, а корпускулярні в процесах взаємодії світла з речовиною. Чим більше λ (менше ν), тем менше р і Е фотона й тем сутужніше виявити квантові властивості світла (наприклад, фотоефект відбувається тільки при hv > Aвиx). Чим менше λ (більше ν), тем сутужніше виявити хвильові властивості світла. Наприклад, рентгенівські промені λ ~ 10-10 м дифрагируют тільки на кристалічній решітці Твердого тіла.

Взаємозв'язок між хвильовими й корпускулярними  властивостями світла пояснюють за допомогою статичних методів.

Хвильові властивості властиві не тільки великої сукупності фотонів, але й кожному фотону окремо.

 

До списку лекцій

Головна