Часть 3: Оптика. Физика атома, твердого тела и ядра 68

Лекция 6. Фотоэффект

и другие явления квантовой оптики

План лекции

6.1. Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотоэлементы и их применение в строительстве.

6.2. Эффект Комптона.

6.3. Давление света и опыты Лебедева.

6.1. Внешний фотоэффект и его законы.

Уравнение Эйнштейна

для внешнего фотоэффекта.

Фотоэлементы и их применение

в строительстве

Важную роль в развитии квантовой теории света сыграло открытие и исследование явления фотоэлектрического эффекта.

Различают три типа фотоэффекта:

– внешний;

– внутренний;

– вентильный.

Внешним фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света.

Внутренний фотоэффект – вызванные светом переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. При этом увеличивается концентрация носителей тока в веществе, т.е. повышается его электропроводность.

Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС при освещении светом контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла. Фото-ЭДС применяется при преобразовании солнечного света в электрический ток.

Внешний фотоэффект был систематически исследован А.Г. Столетовым¹ на установке, принцип действия которой показан на рис. 6.1. Столетовым были установлены следующие закономерности:

Рис. 6.1

1. Наибольшее действие при фотоэффекте оказывает ультрафиолетовый свет.

2. Сила фототока возрастает с увеличением освещенности пластины.

3. Испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Были подробно исследованы так называемые вольтамперные характеристики фотоэффекта, т.е. зависимости фототока I от приложенного напряжения U (рис. 6.2).

E₂

E₁

– U₀ 0 U

Рис. 6.2

Изучение этих вольтамперных характеристик показало:

1. I_нас – фототок насыщения определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

I_нас = en,

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

2. При U = U₀ (задерживающий потенциал) фототок отсутствует (ни один электрон не достигает анода). При U = 0 фототок I  0, т.е. электроны обладают кинетической энергией, максимальное значение которой можно оценить из соотношения:

.

На основании изучения вольтамперных характеристик были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света n  I.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектрона _max не зависит от интенсивности света I, а определяется только его частотой : ²_max  .

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота ₀, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Волновая классическая теория не могла объяснить природу фотоэффекта. Согласно волновой теории:

а) должна быть пропорциональнаI, но это противоречит второму закону фотоэффекта;

б) так как должна быть пропорциональнаI, то свет любой частоты большой интенсивности должен вырывать электроны, но это не согласуется с третьим законом фотоэффекта.

А. Эйнштейн¹ в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены только на основе квантовой (корпускулярной) теории фотоэффекта.

В соответствии с этой теорией:

а) свет испускается, распространяется и поглощается квантами с энергией

₀=h,

движущимися со скоростью света с;

б) каждый квант поглощается только одним электроном, поэтому n I (первый закон);

в) энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на кинетическую энергию вылетевшего фотоэлектрона . В этом случае должно выполняться соотношение

называемое уравнением Эйнштейна.

Это уравнение объясняет и второй, и третий законы фотоэффекта:

а) второй закон фотоэффекта, так как ни А, ни h не зависят от интенсивности света Iи не будет зависеть отI;

б) третий закон фотоэффекта, так как с уменьшением частоты  кинетическая энергия уменьшается и при некоторой частоте кинетическая энергия электрона станет равной нулю и фотоэффект прекратится.

Применения фотоэффекта:

– фотоэлементы (в фотоэкспонометрах и т.п.);

– ФЭУ;

– фотосопротивления (фоторезисторы);

– вентильные фотоэлементы – в качестве источников питания (на космических станциях и в космических аппаратах).

Практическое применение фотоэффекта имеет место и в строительстве. С помощью различных фотоэлементов уже на этапе архитектурно-планировочных мероприятий при строительстве зданий и сооружений производится оценка взаимного расположения зданий на местности с учетом затеняющего влияния застройки. Аналогичные работы выполняются при использовании различных фотоэлектрических приборов на этапе подбора в строительстве специальных солнцезащитных стекол, при ориентации светопроемов по странам света, при разработке различных затеняющих устройств. В подобных работах широко используются различные типы люксметров, в основе работы которых лежат именно фотоэлементы.

В наше время в строительстве уже применяются различные фотоэлектрические панели для создания солнечных батарей для обогрева зданий и сооружений (в виде легких, эластичных и прочных кровельных плит, ненесущих стен-перегородок для фасадных работ). Эти новинки по включению фотоэлементов в состав строительных материалов делают их экономически привлекательными в будущем.

Кроме указанных работ сейчас активно развивается использование фотоэффекта и для других разнообразных целей: фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т.д.

По мере того как стоимость фотоэлементов будет снижаться, а технология – совершенствоваться, откроется масса новых потенциальных рынков применения фотоэлементов, в том числе и в строительстве (например, фотоэлементы, встроенные в стройматериалы, могут осуществлять вентиляцию и освещение домов и др.).