Фотоефект

Вплив світла на протікання електричних процесів вперше було|уперше| описано Герцем (1887 р.), який всановив|помітив|, що електричний розряд між зарядженими цинковими кульками значно полегшується, якщо один з них освітити ультрафіолетовим світлом. Подальше|дальше| докладне вивчення впливу світла на заряджені тіла було проведено у період з 1888 по 1890 р. професором Московського університету А.Г. Столєтовим. Це явище він назвав|накликав| актиноелектричним, яке сьогодні|яке сьогодніяке називається фотоефектом.

Фотоефектом називається звільнення|визволення| (повне|цілковите| або часткове) електронів від зв'язків з|із| атомами та молекулами речовини під дією різного виду випромінювання.

Якщо електрони виходять за межі освітлюваної речовини (повне|цілковите| звільнення|визволення|), то фотоефект називається зовнішнім. Якщо ж електрони втрачають|розгублюють| зв'язок тільки|лише| з|із| своїми атомами і молекулами, але|та| залишаються усередині освітлюваної речовини, збільшуючи тим самим електропровідність, то фотоефект називається внутрішнім. Зовнішній фотоефект спостерігається у|в,біля| металів, а внутрішній, найчастіше, у|в,біля| напівпровідників.

Експериментальні дослідження, виконані А.Г. Столєтовим і іншими вченими, привели до встановлення наступних|таких| основних законів зовнішнього фотоефекту.

I закон:

Фотострум насичення (тобто максимальне число електронів, що звільняються|визволяються| світлом в 1с) прямо пропорційний|пропорціональний| світловому потоку :

,

де — коефіцієнт пропорційності, званий фоточутливістю освітлюваної поверхні і вимірюється мкА/лм.

II закон:

Швидкість фотоелектронів пропорційно зростає зі|із| збільшенням частоти падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.

III закон:

Незалежно від інтенсивності світла, фотоефект починається|розпочинається,зачинається| тільки|лише| при певній (для даного металу) мінімальній частоті світла або максимальній довжині хвилі, званою червоною межею|кордоном| фотоефекту.

Закони зовнішнього фотоефекту одержують|отримують| просте тлумачення на основі квантової теорії світла. За цією теорією, величина світлового потоку визначається числом світлових квантів (фотонів), що падають на поверхню металу за одиницю часу. Кожен фотон може взаємодіяти тільки|лише| з|із| одним електроном, тому максимальне число фотоелектронів повинно бути пропорційне світловому потоку (перший закон фотоефекту).

Енергія фотона h , що поглинається електроном, частково витрачається на здійснення роботи виходу електрона з|із| металу А; частина|частка| цієї енергії, що залишилася, йде на надання|сполучення| йому кінетичної енергії . Тоді, згідно з законом збереження|зберігання| енергії, можна записати:

.

Ця формула, запропонована у 1905 році Ейнштейном і підтверджена потім численними|багаточисельними| експериментами, називається рівнянням Ейнштейна.

З|із| цього рівняння безпосередньо видно|показно|, що швидкість фотоелектрона зростає зі|із| збільшенням частоти світла і не залежить від його інтенсивності (оскільки ні А, ні ν не залежать від інтенсивності світла). Цей висновок|виведення| відповідає другому законові фотоефекту. Крім того, з|із| рівняння Ейнштейна виходить, що зі|із| зменшенням частоти світла кінетична енергія фотоелектронів зменшується (величина А постійна для даного освітлюваного металу). При деякій достатньо|досить| малій частоті (або довжині хвилі ) кінетична енергія фотоелектрона стане рівною нулю =0 і фотоефект припиниться (третій закон фотоефекту). Це матиме місце при, у разі, коли вся енергія фотона витрачається на здійснення роботи виходу електрона. Тоді:

або .

Ці формули визначають червону межу|кордон| фотоефекту і показують її залежність від величини роботи виходу, тобто від роду металу. На зовнішньому фотоефекті засновано важливий|поважний| фізико-технічний прилад - вакуумний фотоелемент (мал. 5.8).

Катодом К служить шар металу, нанесений|завданий| на внутрішню поверхню скляного балона, з|із| якого викачане повітря. Анод А виконаний у вигляді металевого кільця, розміщеного у центральній частині|частці| балона. При освітленні катода у ланцюзі|цепі| фотоелемента виникає електричний струм|тік| за рахунок вибитих з|із| катода електронів. Сила струму пропорційна|пропорціональна| величині світлового потоку, що падає на катод.

До складу більшості сучасних фотоелементів входять сурьм'яноцезієві| або киснево-цезієві катоди, які мають високу фоточутливість. Перші чутливі до видимого і ультрафіолетового світла, а другі - до інфрачервоного і видимого світла. У деяких випадках, для збільшення чутливості фотоелемента, його наповнюють аргоном при тискові|тисненні| близько 10^{-2 мм.рт.ст. Фотострум у такому фотоелементі посилюється|підсилюється| унаслідок|внаслідок| іонізації аргону, викликаної|спричиненої| зіткненням|сутичкою| (мал. 5.8) фотоелектронів з|із| атомами аргону.}

Малюнок 5.8- Вакуумний фотоелемент

Внутрішній фотоефект спостерігається у|в,біля| напівпровідників і, в меншій мірі, у|в,біля| діелектриків. Напівпровідникова пластинка|платівка| приєднується до полюсів батареї. Струм|тік| у ланцюзі|цепі| незначний, оскільки напівпровідник має великий опір. Проте|однак| при освітленні пластинки|платівки| струм|тік| у ланцюзі|цепі| різко зростає. Це обумовлено тим, що світло вириває електрони з|із| атомів напівпровідника, які, залишаючись усередині напівпровідника, збільшують його електропровідність. Такий опір називають фоторезистором. На явищі внутрішнього фотоефекту заснована робота напівпровідникових фотоелементів. Для їх виготовлення використовують селен, сірчистий свинець, сірчистий кадмій і деякі інші напівпровідники. Фоточутливість напівпровідникових фотоелементів у сотні разів перевищує фоточутливість вакуумних фотоелементів. Деякі фотоелементи володіють виразно|чітко| вираженою|виказаною,висловленою| спектральною чутливістю.

У|в,біля| селенового фотоелемента спектральна чутливість дуже близька до спектральної чутливості людського ока.

Недоліком|нестачею| напівпровідникових фотоелементів є|з'являється,являється| їх помітна інерційність: зміна фотоструму запізнюється щодо|відносно| зміни освітленості фотоелемента, тому напівпровідникові фотоелементи не придатні для реєстрації швидкозмінюваних світлових потоків.

Як приклад|зразок| напівпровідникового фотоелемента розглянемо|розгледимо| пристрій|устрій| селенового вентильного фотоелемента (мал. 5.9). Він складається з металевої підкладки, діркового напівпровідника, покритого прозорим шаром металу (звичайно тонкий шар золота). На межі|кордоні| метал-напівпровідник, унаслідок|внаслідок| дифузії, виникає контактний замикаючий шар з|із| напруженістю . Включимо тепер світловий потік Ф, що проникає|проникний| у напівпровідник. Завдяки внутрішньому фотоефекту збільшується концентрація вільних зарядів обох знаків — електронів і дірок.

Малюнок 5.9 – Селеновий вентильний фотоелемент

Електрони вільно дифундують через контакт, а для дірок він дійсно є|з'являється,являється| замикаючим шаром. Як наслідок, при освітленні електрони накопичуються на підкладці, а дірки — у напівпровіднику. Між контактами А і К виникає різниця потенціалів — фото-э.р.с., величина якої пропорційна|пропорціональна| освітленості провідника.

Таким чином, вентильний фотоелемент є генератором струму|току|, що безпосередньо перетворює світлову енергію в електричну. Як напівпровідники, у вентильному фотоелементі використовують селен, закис міді, сірчистий талій, германій, кремній. У вентильному фотоелементі можуть застосовуватися два напівпровідники з|із| різним типом провідності — електронної і діркової.

Вельми|дуже| перспективним є|з'являється,являється| практичне використання вентильних фотоелементів як генераторів електроенергії. Батареї кремнієвих фотоелементів, що одержали|отримали| назву сонячних батарей, застосовуються на космічних супутниках і кораблях для живлення|харчування| різної електронної апаратури. Деякі вентильні фотоелементи чутливі до інфрачервоного випромінювання. Їх застосовують для виявлення нагрітих невидимих тіл, ніби розширючи можливості|спроможності| зору.

Виключно|винятково| велике значення фотоелементів для телемеханізації і автоматизації виробничих процесів. У поєднанні з|із| електронним підсилювачем і реле, фотоелемент є|з'являється,являється| невід'ємною частиною|часткою| автоматичних пристроїв|устроїв|, які, реагуючи на світлові сигнали, управляють роботою різних промислових і сільськогосподарських установок і транспортних механізмів.

Зовнішній фотоефект є основою роботи електронно-оптичного перетворювача (ЕОП|), що служить для перетворення зображення з|із| однієї області спектра в іншу, а також для посилення яскравості зображень.

У медицині ЕОП| застосовують для посилення яскравості рентгенівського зображення, це дозволяє значно зменшити дозу опромінювання|опромінення| людини. Якщо сигнал з|із| ЕОП| подати у вигляді розгортки на телевізійну систему, то на екрані телевізора можна одержати|отримати| "теплове" зображення предметів. Частини|частки| тіла, що мають різні температури, відрізняються на екрані або кольором|цвітом|, при кольоровому зображенні, або світлом, якщо зображення чорно-біле. Така система, звана тепловізором|, використовується в термографії.