Билет №3 Внутренний фотоэффект. Применение фотоэффекта в технике.

Внутренний фотоэффект используется для превращения энергии излучения в электрическую энергию в полупроводниковых фотоэлементах с р—n-переходом. Большое распространение получили кремниевые фотоэлементы, используемые для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию и получившие название солнечных батарей.

Солнечные батареи преобразуют в электрическую энергию около 12% падающей на них энергии солнечного излучения, что превышает коэффициент использования солнечного излучения при фотосинтезе в листьях растений. Солнечные батареи, устанавливаемые на искусственных спутниках Земли и космических кораблях, дают электрическую энергию для бортовой аппаратуры.

В фотоэлементах используются и другие полупроводники, например селен, тонкий слой которого наносится на металл. Между полупроводником и металлом при этом возникает запирающий слой, действие которого аналогично действию р—n-перехода. Такого рода фотоэлементы получили название вентильных

Использование фотоэлементов в науке и технике. Наиболее распространенное применение фотоэлементов — использование их в звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на киноленте в виде «звуковой дорожки». Одновременно со съемкой кинокадров на ленте осуществляют запись звука в виде полупрозрачных полосок разной толщины или зачернений, покрывающих различную часть дорожки.

Фотоэлементы широко применяются в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности. Фотоэлементы используются в астрокомпасе — автоматическом приборе, служащем для ориентации по Солнцу и звездам.

Широкое применение в технике получили фотоэлементы — приборы, действие которых основано на использовании фотоэффекта. К ним относят вакуумные фотоэлементы, практически не обладающие инерционностью, и газонаполненные фотоэлементы, обладающие большой инерционностью и большой чувствительностью.

Билет №4 Давление света. Опыт Лебедева. Эффект Комптона.

Из электромагнитной теории Максвелла следует, что свет, падающий на тело, оказывает на него давление. Поэтому достаточно легкое тело можно привести в движение силой светового давления. Однако эта сила очень мала. Вычисления Максвелла показали, что на Земле солнечный свет давит на квадратный метр черной поверхности, расположенной перпендикулярно лучам, с силой 4,5·10^-6Н. Обнаружить и измерить такую силу на опыте очень трудно, так как одностороннее нагревание поверхности тела лучами вызывает увеличение давления окружающего воздуха на эту поверхность, превышающее во много раз световое давление. Первым преодолел трудности такого эксперимента в 1900 г. русский физик П. Н. Лебедев. В его установке свет падал на тонкий легкий кружок R, укрепленный на подвеске (рис. 35.1). Подвеска висела на тончайшей кварцевой нити Н в камере, внутри которой создавался высокий вакуум. По углу закручивания подвески определялась сила давления света на кружок.

Опыты Лебедева полностью подтвердили электромагнитную теорию света Максвелла. Позднее Лебедев измерил давление света на газы, которое оказалось значительно меньше давления света на твердые тела. Опыты Лебедева — классический образец тончайшего физического эксперимента. При наблюдении за кометами было установлено, что при приближении к Солнцу у кометы часто образуется хвост, всегда направленный от Солнца. Еще Кеплер считал, что образование кометных хвостов вызвано давлением солнечного света. В работах Лебедева это объяснение получило экспериментальное подтверждение.

Один из опытов: Величина силы, действующей на тело, определяется изменением импульса (количества движения) за единицу времени. Если на какое-то тело, например кружок в опыте Лебедева, за время t падает излучение, обладающее массой m, то оно передает кружку за это время импульс (mс). Это означает, что излучение действует на кружок с силой F_Д: F_Д = (mс) / t.

Эффект Комптона. Открытый же американским физиком Артуром Комптоном эффект рассеяния фотонов на свободных электронах стал еще одним подтверждением квантовой природы фотона. Описание опыта: Пучок электромагнитных лучей (Комптон использовал рентгеновские лучи) направляется на кристалл, после чего измеряются энергии и угол отклонения рассеянных лучей. В рамках классической теории взаимодействия лучей с веществом энергия отраженного излучения не должна отличаться от энергии исходного излучения. Комптон же получил принципиально иную картину: энергия рассеянной волны отличалась от энергии исходной волны, и эта разница зависела от угла рассеяния, достигая максимума при угле 90°. Как и два бильярдных шара, эти две частицы, взаимодействуя, отскакивают друг от друга. А поскольку электрон движется медленно, он, в общем случае, должен приобретать энергию при этом столкновении, в то время как фотон эту же энергию теряет.

Сегодня эффект Комптона находит применение в астрофизике: гамма-лучи от космических объектов подвергаются многократному рассеянию, пока их энергия не падает до длин волн рентгеновской части спектра, после чего их можно анализировать на стандартных рентгенографических установках. Подобный детектор был в 1991 году выведен НАСА на орбиту в составе Гамма-лучевой обсерватории имени Комптона.

ФИЗИКА АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА