Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 12
Тема №8. ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ. ДОСЛІДЖЕННЯ СТОЛЄТОВА
Одним з найважливіших проявів взаємодії світла з речовиною, що розкриває фотонну природу світла, а також має велике практичне значення, є так званий фотоелектричний ефект.
Фотоефект є результатом взаємодії фотонів світла з електронами речовини. Зокрема, в конденсованих системах (твердих тілах, рідинах) фотони спричиняють або вилітання електронів за межі тіл (зовнішній фотоефект), або ж перехід електронів з однієї енергетичної зони в іншу (внутрішній фотоефект); у газах фотоефект зводиться до іонізації атомів і молекул під дією світла. Існує також ядерний фотоефект — вивільнення складових частинок ядра (нуклонів) під дією жорсткого гамма-проміння.
Явище фотоефекту відкрив Г. Герц у 1883 р. Він помітив, що електричний розряд між двома різнойменно зарядженими цинковими кульками дуже полегшується, якщо їх освітити ультрафіолетовим світлом. Проте фотоефект як самостійне явище вивчив О. Г. Столєтову 1888-1890 pp.
Вже в перших дослідах із зарядженими металевими пластинками О. Столєтов встановив, що під впливом падаючого світла, переважно ультрафіолетового, тіло втрачає заряд, але тільки тоді, коли воно заряджене негативно; позитивний заряд тіла під дією світла не зменшується.
Пізніше О. Столєтов, з метою усунення сторонніх впливів, досліджувану пластинку розміщував у вакуумній камері (рис. 95), де вона була катодом К; для анода вводив пластинку А. Катод освітлювався крізь кварцове віконце О.
Рис 95.
Досліди, проведені з різними металевими пластинками, показували, що струм у колі з'являється тоді, коли катод освітлюється; очевидно, носіями струму в вакуумній трубці ставали вивільнені з катода під дією світла електрони.
Збільшення напруги між катодом і анодом спочатку приводило до збільшення фотоструму в колі (рис. 96), але при досягненні деякої напруги фотострум переставав зростати і залишався незалежним від напруги. Утворювався струм насичення. Дальше збільшення струму можна було зумовити лише збільшенням інтенсивності світла, що падало на катод.
Рис. 96
Струм насичення можна виразити через заряд електрона e і кількість електронів п, що вивільняються з катода за одиницю часу,
(1)
Таким чином, за струмом насичення можна було робити висновок про кількість електронів, що вивільняються з катода за одиницю часу, та про залежність їх числа від величини падаючого світлового потоку.
Досліди з чутливим гальванометром показали, що потік електронів від освітленого катода досягає анода і без прискорюючої напруги між ними. Щоб звести фотострум до нуля, довелося прикласти до електродів у приладі Столєтова деяку гальмуючу напругу U1. Очевидно, електрони, що вивільнялися з катода під дією світла, діставали певну швидкість, яку можна було визначити за значенням гальмуючої напруги U1 а саме:
(2)
де e і т — відповідно заряд і маса електрона.
Дослідження Столєтова та інших учених привели до встановлен ня таких закономірностей фотоефекту.
Вивільнення електронів з металів під дією світла можна було пояснити дією електричного або магнітного поля. І цей факт наче підтверджував хвильову електромагнітну природу світла. Проте закономірності фотоефекту неможливо було погодити з основними положеннями хвильової теорії світла. Важче було пояснити безінерційність фотоефекту, бо ж з падаючого хвильового потоку електрон, завдяки дуже малим розмірам, повинен сприймати дуже незначну енергію і накопичувати її тривалий час, доки вона стане достатньою для подолання зв'язків електрона з атомами. Розрахунки показують, що навіть при значній інтенсивності світла вихід електрона мав би наставати лише через кілька днів.
З погляду хвильової теорії світла неможливо було з'ясувати неза лежність швидкості вилітаючих електронів від інтенсивності світла, бо ж коли на тіло падає світлова електромагнітна хвиля, то вона повинна приводити електрони у вимушені коливання, амплітуда яких пропорційна амплітуді світлової хвилі. Але амплітуда світлової хвилі визначає інтенсивність світла. Тому енергія вимушених коливань електронів, вихід їх з тіла і швидкість мали б залежати від інтенсивності світла. Насправді такої залежності немає.
РІВНЯННЯ ЕЙНШТЕЙНА
Чітке пояснення фотоефекту дав А. Ейнштейн у 1905 р. на основі припущення, що світло є потоком матеріальних частинок—фотонів, енергія яких
Зазначимо, що на відміну від Планка, який вважав, що системи атомів і молекул мають властивість тільки випромінювати енергію квантами, а самі можуть мати будь-яку енергію і поглинати її в будь-якій кількості безперервно, Ейнштейн пішов далі, зробивши припущення, що світло поглинається такими самими порціями, якими воно випромінюється. Таким чином, за теорією Ейнштейна, падаючий світловий потік визначається кількістю фотонів, що падають на поверхню тіла за одиницю часу; при цьому кожний фотон може взаємодіяти тільки з одним електроном.
З теорії Ейнштейна безпосередньо випливають закономірності фотоефекту. Безінерційність підтверджує, що електрони сприймають світлову енергію окремими порціями, завдяки чому виходять за межі металу. Чим більший світловий потік, тим більша кількість фотонів у ньому і при тій самій імовірності захоплення фотонів за 1 с буде вивільнятися більша кількість електронів. Зазначимо, що енергія переважної більшості падаючих фотонів розсіюється в тілі, пере творюється у внутрішню, і тільки близько 1% фотонів спричиняють вихід електронів; глибина активного в фотоелектричному відношенні шару на поверхні металу не перевищує сотні атомних діаметрів, тобто порядку 10-6 см.
Застосувавши до взаємодії фотона з електроном закон збереження енергії, Ейнштейн встановив рівняння фотоефекту
(1)
де hv — енергія фотона; А — робота виходу електрона з освітлюваного тіла;— надана електрону кінетична енергія.
З рівняння Ейнштейна видно, що швидкість вилітаючих фотоелектронів буде тим більшою, чим більша частота падаючого світла, і вона не залежить від інтенсивності світла, бо ні А, ні h не залежать від інтенсивності світла. Цей висновок з рівняння цілком узгоджується з результатами дослідів.
З рівняння (1) також випливає, що зовнішній фотоефект можливий при частоті світла. Це означає, що для кожного тіла повинна існувати певна «червона межа» фотоефекту v0, яка задовольняє умову
(2)
За червоною межею, як свідчили досліди, та умовою (2) було знайдено значення роботи виходу електронів з різних металів. Ці роботи виходу збіглися за величиною із значеннями, знайденими при вивченні явища термоелектронної емісії в тих же металах. Було встановлено, що робота виходу електрона з платини становить 5,3 еВ, з цинку 4,2 еВ, цезію — 1,9 еВ і т. д.
Закони фотоефекту і рівняння Ейнштейна неодноразово перевірялися різними вченими. Найбільш точну експериментальну перевірку рівняння фотоефекту провели в 1928 р. П. І. Лукірський і С. С. Прилежаєв. На відміну від попередніх експериментаторів, які
подібно до Столєтова, користувалися плоским конденсатором, вони використали для дослідження фотоефекту сферичний конденсатор. Зовнішнім електродом у ньому була посріблена внутрішня поверхня скляної кулі В (рис. 97), внутрішнім — кулька з досліджуваного металу К; остання освітлювалася через кварцове віконце О
Рис. 97
світлом певної довжини хвилі, яке діставали від ртутної дуги із наступним розкладанням у лінійчастий спектр за допомогою монохроматора М. Кулька К з'єднувалася з квадрантним електрометром Е; всередині конденсатора створювався високий вакуум. Напруга між електродами конденсатора В і змінювалася за величиною і знаком потенціометром Р.
Перевагою методу сферичного конденсатора є його висока чутливість. Оскільки електрод В повністю охоплює кульку К, всі електрони, що вириваються з кульки, досягають електрода В без прискорюючої напруги; це дає змогу дуже точно визначити гальмуючу напругу U1 (див. рис. 96).
Досліди Лукірського і Прилежаєва підтвердили вірогідність законів фотоефекту і рівняння Ейнштейна.
Приклад. На поверхню цинку падає проміння з довжиною хвилі λ= 2,47 нм. Визначити максимальну швидкість фотоелектронів, що вириваються з металу (робота виходу електрона з цинку А = 4,2 еВ).
Розв'язання. Скористаємось рівнянням Ейнштейна
Щоб розв'язати рівняння, треба з'ясувати, яку масу електрона слід врахувати — спокою чи релятивістську. Про це можна дізнатися, порівнявши енергію фотона з енергією спокою електрона: якщо енергія фотона значно менша від енергії спокою електрона, доцільно скористатися масою спокою, а якщо енергія фотона порівняна і більша за енергію спокою електрона, то — релятивістською масою електрона, тобто скористатися релятивістською формулою кінетичної енергії:
де енергія спокою електрона; β=v/c.
Обчислимо енергію фотона
; ; 0,502 МеВ = 0,51 МеВ.
Отже, треба користуватися релятивістською формулою кінетичної енергії електрона; роботою виходу електрона, як дуже малою порівняно з енергією фотона, можна знехтувати. Підставивши замість величини кінетичної енергії електрона значення енергії фотона, знаходимо:
Шукана максимальна швидкість фотоелектронів становитиме:
ФОТОЕЛЕМЕНТИ
Прилади, в яких фотоефект використовується для перетворення світлової енергії в електричну, називають фотоелементами.
Відповідно до різних видів фотоефекту створено різні види фотоелементів, а саме: фотоелементи із зовнішнім фотоефектом (вакуумні і газонаповнені), фотоопори — фотоелементи з внутрішнім фотоефектом, вентильні фотоелементи.
Розглянемо коротко принцип дії і будову різних фотоелементів та застосування їх.
Фотоелементи з зовнішнім фотоефект том (рис. 98) складаються із скляного балона 7, з якого викачано повітря. Катодом в ньому є частина внутрішньої поверхні балона 2, вкрита світлочутливим шаром (здебільшого з окислів лужних металів Cs, Rb, K, Na); катод освітлюється через прозору частину балона 1. Анодом є напівсферична металева ложечка 3, розміщена в центрі балона. Катод і анод з'єднані з двома штирками 4, за допомогою яких фотоелемент включається в електричне коло. Щоб збільшити фотострум внаслідок
Рис 98
іонізації газу, фотоелементи наповнюють інертним газом. На рис. 98 наведено зразки сучасних фотоелементів та маркування їх: СЦВ-4 (сурм'яноцезієвий, вакуумний) і ЦГ-3 (цезієвий газонаповнений). При робочій напрузі 240 В чутливість вакуумного фотоелемента становить 8*10-5 А/лм.
Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом використовуються у звуковому кіно, різних схемах автоматики і телемеханіки, телебаченні. Проте незначний фотострум у таких фотоелементів (навіть при яскравому освітленні фотострум насичення дорівнює 10-6 А) потребує підсилення. Дуже ефективним підсилювачем фотоструму є так званий фотопомножувач Кубецького. Для підсилення фотоструму Кубецький використав явище вторинної електронної емісії на серії
Рис. 99
послідовно розміщених електродів-емітерів (рис. 99). Кожний електрон, що вибивається світлом з катода, прискорюється і при попаданні на перший емітер вибиває з нього кілька електронів. Ці електрони знову прискорюються і, попадаючи на наступний емітер, збільшують загальний потік електронів і т. д. З анода знімається вже підсилений струм
(1)
де i0 — фотострум на першому емітері; п — кількість емітерів; коефіцієнт підсилення.
Фотоопори — прилади, дія яких ґрунтується на зміні опору напівпровідника під дією світла. У цьому разі електрони не звільняються з речовини, а лише переходять із заповненої зони в зону провідності, збільшуючи електропровідність напівпровідника. Електропровідність, що виникає під дією світла, називається фотопровідністю. Проте не будь-яке світло може спричинити фотопровідність, а лише те, енергія фотонів якого не менша від ; під розуміють енергію активації або ширину забороненої зони.
Виготовляють фотоопори або з чистих напівпровідників, або з напівпровідників з домішками. Найчастіше застосовують для цього сульфат свинцю (фотоопори ФС-А), сульфат кадмію (ФСК-М), сульфід кадмію (ФМ-К) тощо. Фотоопори, як і інші фотоелементи, характеризуються селективним сприйманням світла, тобто в них світло однакової інтенсивності, але різної довжини хвилі зумовлює неоднакові струми. Так, наприклад, для фотоопору ФС-А, який використовують для роботи в інфрачервоній частині спектра, максимум чутливості припадає на довжину хвиль 2,1—2,7 мкм, для фотоопору ФС-52 — на довжину хвилі 0,52 мкм.
Рис. 100
Будову фотоопорів зображено на рис. 100. На ізолюючу підкладку / наносять напівпровідникову речовину 2; на кінцях її випаровуванням у вакуумі напилюють металеві електроди 3. Ці електроди забезпечують з напівпровідником надійний електричний контакт. Для захисту від шкідливого впливу навколишнього повітря фоточутливу поверхню фотоопору покривають прозорою плівкою лаку.
Особливістю фотоопорів є відсутність полярності, тобто вони однаково проводять струм в обох напрямах. Вольт-амперна характеристика їх відрізняється відсутністю струму насичення; вона лінійна.
Фотоопори мають велику чутливість (в 105 раз більшу, ніж фотоелементи із зовнішнім фотоефектом); їх можна використовувати в порівняно потужних колах, причому строк служби практично необмежений.
На рис. 101 подано просту схему
Рис. 101
фотореле. Якщо світловий потік падає на фотоопір, то в колі І проходить такий струм, що електромагніт у цьому колі утримує залізний якір К1 і ключ К2 в колі II розімкнути. Якщо ж якесь тіло, що рухається, наприклад, на конвеєрі, перекриє світловий потік, то струм у колі І знизиться, пружина Я відірве якір К1 від електромагніту і замкне ключ К2 ; у колі II почнуть працювати увімкнені прилади: дзвінок, лічильник тощо.
Вентильні фотоелементи — це прилади, в яких є. р. с. виникає під дією світла. Істотну роль при цьому відіграє електричне поле запірного шару. Нагадаємо, що запірний шар виникає на межі двох напівпровідників з різним типом провідності, тобто на р-n-переході. Він є результатом дифузії дірок в області n-напівпровідника та електронів в область p-напівпровідника; з цих причин на запірному шарі в напрямі п → р наводиться електричне поле.
Відомо, що при освітленні напівпровідника (за умови, що енергія його фотонів більша ширини забороненої зони) в останньому утворюватимуться пари електрон-дірка. Якщо ці пари носіїв струму виникатимуть поблизу запірного шару, то під дією електричного поля n-p переходу вони розділятимуться і спричинятимуть певну різницю потенціалів на електродах та створюватимуть у колі фотоелемента струм.
Найефективнішими є селенові, сірчистосрібні — ФЕСС, кремнієві і германієві фотоелементи.
Рис. 102
Розглянемо технологію виготовлення вентильних фотоелементів (рис. 102). Спочатку з металевої пластинки, товщиною 1—2 мм, штампують круглий диск 6 — підкладку. На неї випаровуванням у вакуумі наносять шар напівпровідника 5 (0,1 мм завтовшки), після чого цю основну частину фоторелемента піддають термічній обробці. Мета цієї обробки — утворити р-n -перехід. Якщо р-n -перехід утворюється біля підкладки, то при нанесенні на напівпровідник верх
нього електрода беруть метал, на межі з яким запірний шар не утворюється. Можна матеріали для підкладки 6 і верхнього електрода 2 вибрати такі, що запірний шар 4 буде утворюватися біля верхнього металевого електрода. Верхній електрод роблять напівпрозорим (способом випаровування або катодного розпилення), щоб крізь нього в напівпровідник проходило світло. Зовнішню поверхню елемента покривають лаком з метою захисту його від дії повітря і вологи. Весь фотоелемент кріпиться в пластмасовому корпусі 1; 7 — вивідні клеми.
Вентильні фотоелементи мають велике майбутнє як один із засобів безпосереднього перетворення світлової енергії в електричну. Вже тепер виготовляють кремнієві фотоелементи, що мають ККД 11 — 15 %; за теоретичними розрахунками його можна підвищити до 22 %. Ці фотоелементи в батареях використовуються на штучних супутниках і космічних кораблях як джерела живлення радіоапаратури, у вимірювальній техніці, в автоматиці тощо.