5. Практическое применение фотоэффекта.

На явлении фотоэффекта основано действие приёмников излучения – фотоэлементов, преобразующих световой сигнал в электрический. Ранее других был создан фотоэлемент с использованием внешнего фотоэффекта (рис.7). Он состоит из катода (источника э лектронов) и анода в виде петли, диска или сетки. Вся система помещена в стеклянный баллон, из которого откачен воздух. Фотокатод может быть нанесён на внутреннюю поверхность стеклянного баллона в виде слоя металла. Важной характеристикой фотоэлемента является его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Она достигает величины 100 мкА/лм. Низкая фоточувствительность – это основной недостаток вакуумных фотоэлементов.

Э тот недостаток устранён в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), в которых кроме внешнего фотоэффекта используется явление вторичной электронной эмиссии. ФЭУ представляет вакуумный элемент (рис.8) с рядом промежуточных электродов (динодов) Э₁, Э₂, Э₃, … Под действием света, электроны, вылетающие из катода K, попадают на динод Э₁, вызывают вторичную эмиссию электронов (их число в 3-10 раз превышает число падающих электронов). Этот процесс умножения повторяется при дальнейшем попадании электронов на последующие диноды.

Умноженный поток электронов собирается анодом A и образует в цепи нагрузки R ток, превышающий фототок с катода (первичный фототок) в 10⁵-10⁶ раз. Чувствительность ФЭУ достигает 10³ A/лм. ФЭУ применяется главным образом для измерения малых лучистых потоков. Ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию.

Н а внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (рис.9) (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображения.

Световое изображение объекта 1 проецируется на полупрозрачный фотокатод K, преобразуется в электронное изображение. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран L и электронное изображение (2), благодаря катодолюминесценции, вновь преобразуется в световое (3). ЭОП применяются для усиления яркости рентгеновского изображения. Это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека. ЭОП способен преобразовывать ИК-излучение в видимое, что можно использовать для термографической диагностики заболеваний.

В нутренний фотоэффект в неоднородных полупроводниках приводит к возникновению между p и n полупроводниками ЭДС под действием света. Это явление называется фотогальваническим эффектом и используется в вентильных фотоэлементах (рис.10), которые преобразуют световую энергию в энергию электрического тока. Вентильный селеновый элемент состоит из опорной железной пластинки 3, на которую наносится тонкий слой селена 4, обладающий дырочной (p) проводимости. На поверхность селена нанесена тонкая прозрачная для световых лучей плёнка золота 1. Атомы золота диффундируют внутрь селена, образуют соединение, обладающее электронной (n) проводимостью. Между полупроводниками с (p) и (n) проводимостью образуется запирающий слой (пунктирная линия), который препятствует проникновению электронов в область с p-проводимостью. Если на фотоэлемент направить поток света, то фотоны будут выбивать электроны из атомов селена, путь которым в сторону железной пластинки преграждает запирающий слой. Поэтому электроны будут двигаться в сторону плёнки золота, заряжая её отрицательно. Слой селена с p-проводимостью и железная пластинка заряжаются положительно. Между золотой и железной пластинками возникает разность потенциалов, называемая фото-ЭДС. Если соединить золотую и железную пластинки проводником, то по цепи пойдёт фототок. Фототок отводится с помощью электродов: железной пластинки 3 и металлического кольца 2.

Такие фотоэлементы используются в люксметрах для измерения как искусственной, так и естественной освещённости.

Лекция №25

Люминесценция. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

1. Различные виды люминесценции. Фотолюминесценция.

Правило Стокса.

Все виды самосвечений, кроме свечения нагретых тел, называют холодным свечением или люминесценцией. Под люминесценцией понимают собственное свечение вещества, возникающее под влиянием внешних воздействий. Примером люминесценции может служить свечение при электрическом разряде в газах, при некоторых химических процессах (гниение органических веществ, окисление фосфора), свечение светлячков, морских микроорганизмов, а также некоторых веществ под действием УФ-излучения. Это излучение имеет длительность, значительно превышающую период (10^-15 с) излучаемых световых волн. Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением и лежит в оптическом диапазоне.

В зависимости от рода возбуждения различают несколько видов люминесценции.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами – ионолюминесценция; электронами – катодолюминесценция (свечение экрана электроннолучевой трубки); ядерным излучением – радиолюминесценция; рентгеновским и γ-излучением – рентгенолюминесценция; фотонами видимого и УФ-излучения – фотолюминесценция; электрическим полем – электролюминесценция, частным случаем которого является свечение газов при электрическом разряде. Люминесценцию, сопровождающую экзотермические реакции (реакции, идущие с выделением энергии), называют хемилюминесценцией. К ней относятся, в частности, биолюминесценция – свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности (грибы, бактерии, насекомые).

Рассмотрим подробно фотолюминесценцию, под которой подразумевается вторичное свечение вещества, происходящее под действием ультрафиолетового или коротковолновой части видимого излучения. Фотолюминесценцию иногда просто называют люминесценцией и подразделяют на флуоресценцию (кратковременное послесвечение τ=10^-9-10^-3 с) и фосфороресценцию (длительность послесвечения до нескольких секунд и долей часа). Начальным актом фотолюминесценции является поглощение кванта света hν извне и возбуждение атома или молекулы. На рис.1 изображены электронные уровни тирозина и электронные переходы в нём. Если молекула поглощает квант света, то электроны внешних оболочек с основного энергетического уровня S₀ переходят на более высокий энергетический уровень, например, (1) или (2). При этом электронные оболочки о стаются в синглетном состоянии (все электроны спарены и суммарный спиновый момент равен нулю), хотя молекула становится возбуждённой. Величина энергии поглощённого кванта равна разности энергии двух уровней, между которыми осуществляется электронный переход: hν_ПОГЛ=Е₂-Е₀, т.е. переход электрона с основного синглетного уровня на возбуждённый синглентный уровень будет соответствовать поглощению света. Таких возбуждённых синглентных уровней молекула может иметь несколько ( , , ).

Время нахождения молекулы в возбуждённом состоянии является величиной порядка 10^-9-10^-7 с. Электронная энергия возбуждённой молекулы может расходоваться в результате протекания нескольких процессов. Может передаваться другой молекуле (миграция энергии), может быть использована для увеличения тепловой энергии молекулы. Во всех этих случаях электрон возвращается на основной уровень S₀, либо на какой-либо уровень, лежащий ниже данного возбуждённого уровня. Переходы, которые сопровождаются превращением энергии в тепло, называется безизлучательным (5).

Кроме того, может наблюдаться процесс свечения молекулы, сопровождающийся переходом электронов с возбуждённых уровней на основной S₀ – люминесценция. Переход электронов с возбуждённых уровней на основной начинается вначале с промежуточного перехода с верхних возбуждённых уровней на самый нижний возбуждённый уровень ( ; ). Избыточная электронная энергия переходит при этом в тепло. Следующий этап перехода с нижнего возбуждённого уровня на основной уровень S₀ (3), при этом высвечивается квант люминесценции, энергия которого всегда будет меньше энергии поглощённого кванта на величину Е_ТЕПЛ, т.е. hν_ЛЮМ=hν_ПОГЛ-Е_ТЕПЛ, т.е._ЛЮМ< _ПОГЛ, а _ЛЮМ >_ПОГЛ. Эта зависимость носит название закона (правила) СТОКСА: длина волны света, испускаемого при люминесценции (рис.2) всегда больше длины волны света, который её вызвал (правило смещения СТОКСА). Интенсивность люминесценции оценивается с помощью квантового выхода люминесценции: , где n - количество квантов люминесценции; N - количество поглощённых квантов в единицу времени.

Т ак как люминесценция всегда наблюдается при переходе с нижнего возбуждённого уровня на основной, то её интенсивность не будет зависеть от того, на какой уровень был заброшен электрон при поглощении света.

Люминесценция, которая наблюдается при переходе электрона с , называется флуоресценцией и наблюдается только непосредственно во время освещения объекта.

У некоторых веществ свечение наблюдается после выключения света, оно обусловлено переходом с триплетного уровня на основной ТS₀. Триплетный уровень - это такой уровень, на котором имеется два не спаренных электрона и их суммарный спиновый момент может принимать одно из трёх значений: +1; 0; -1. Уровень Т расположен несколько ниже , его называют запрещённым уровнем, так как сюда электрон не может перейти с уровня S₀, однако, он может попасть сюда с возбуждённого синглетного уровня. Его путь . При переходе часть его энергии переходит в тепло. При этом спин электрона меняется на противоположный, в результате чего два электрона становятся не спаренными, а молекула превращается в бирадикал. Продолжительность жизни молекулы в триплетном состоянии от 10^-3с до нескольких секунд. Люминесценция, которая сопровождается переходом электронов с Т на S₀, называется фосфоресценцией. Так как , то λ_ФОСФ>λ_ФЛЮР. Пример: в молекуле тирозина переходу (1) соответствует максимум в спектре поглощения на длине волны λ_m=217нм. Переходу (2) - λ_m=275 нм. Максимум в спектре флюоресценции наблюдается при λ_m=304 нм (3). Фосфоресценции соответствует переход Т→S₀ (4), при этом излучается квант с λ_m=387 нм.