3. Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении светом полупровод-ников, диэлектриков и некоторых органических веществ. Под влиянием фотоионизации атомов (ионов) происходит уменьшение их

сопротивления. При внутреннем фотоэффекте в чистых полупроводниках электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Проводимость полупроводника вызвана движением электронов и дырок в электрическом поле, приложенному к веществу. Механизм дырочной проводимости отличается от электронной проводимости.

Рис. 6

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости образуется дырка, которую занимает электрон валентной зоны, а в том месте, откуда ушел электрон, в свою очередь, возникает дырка, которую занимает следующий электрон и т. д. В этом процессе электрон проводимости участия не принимает.

Основным параметром, определяющим фотоэлектрические свойства вещества является ширина запрещенной зоны W_з (рис. 6). Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем дальше в сторону длинных волн простирается граница внутреннего фотоэффекта, обусловленная разделением электронов и дырок (собственная фотопроводимость полупроводника). Если на полупроводник падает фотон с энергией h ≥ W_з, то фотоэффект наблюдается. Кристаллы веществ, которые изменяют свое сопротивление под действием света, называют фотосопротивлениями.

4. Вентильный фотоэффект

Вентильная фотоЭДС  ЭДС, возникающая в результате пространственного разделения электроннодырочных пар, генерируемых светом в полупроводнике электрическим полем nр перехода, гетероперехода, приэлектродного барьера. При вентильном фотоэффекте электрическое поле к фотоэлементу не прикладывается, т. к. они сами являются генераторами фотоЭДС. Характерной особенностью фотоэлементов с вентильным фотоэффектом является наличие запирающего слоя между полупроводником и электродом, который вызывает выпрямляющее действие данного слоя (рис. 7).

Слой полупроводника с вентильным фотоэффектом обладает не только сопротивлением, но и емкостью и является выпрямителем и источником ЭДС при его освещении светом. На рис. 7 пластинка Сu (4) является одним из электродов. Сверху она покрывается тонким слоем (2) закиси меди Сu₂0 вследствие нагревания меди в воздухе при высокой температуре. Запирающий слой (3) образуется на границе Сu₂0 и меди. Сверху наносится тонкий полупрозрачный слой золота (1). При освещении между электродами 1 и 4 возникает разность потенциалов.

Рис. 7

Если соединить эти электроды через гальванометр, то при падении света возникает фототок, направленный от меди к Сu₂0. Фотопроводимость меднозакисных фотоэлементов вызвана движением дырок. Тонкий запирающий слой (d  10^7 м) на границе металл  полупроводник вызывает запирающее действие фотоэлемента и возникновение фотоЭДС до 1 В. В этом случае лучистая энергия света непосредственно переходит в электрическую. КПД фотоэлемента 2,5%.

5. Эффект Комптона

Явление Комптона состоит в увеличении длины волны рентгеновских лучей при их рассеянии на атомах вещества, которое сопровождается фотоэффектом. С точки зрения классической волновой теории длина волны рассеянного излучения должна равняться длине волны падающего.

Схема опыта Комптона приведена на рис. 8, где S  источник рентгеновского излучения; D₁ и D₂  диафрагмы, формирующие узкий пучок рентгеновских лучей; А  вещество, рассеивающее рентгеновские лучи, которые затем попадают на спектрограф С и фотопластинку Ф.

Явление Комптона характеризуется следующими закономерностями:

1. Зависит от атомного номера вещества. 2. При увеличении угла рассеяния интенсивность комптоновского рассеяния возрастает. 3. Смещение длины волны возрастает с увеличением угла рассеяния.

4. При одинаковых углах рассеяния смещение длины волны одно и

Рис. 8

тоже для всех веществ.

Явление Комптона объясняется тем, что оно происходит на электронах, слабо связанных в атомах.

Падающие рентгеновские лучи представляют собой поток рентгеновских фотонов с энергией  = h и импульсом

.

Рис. 9

При взаимодействии рентгеновского фотона с электроном последний получает энергию (W) и импульс (р = mv) покидает атом (электрон отдачи), а энергия и импульс рассеянного фотона уменьшаются (рис. 9).

Для нахождения изменения длины волны рассеянного фотона в эффекте Комптона применим закон сохранения импульса

и закон сохранения энергии

W_ф + W₀ = W + ,

где полная энергия частицы

.

Из закона сохранения импульса находим импульс частицы (электрона).

Например, согласно рис. 9 (теорема косинусов)

. (11)

Учитывая релятивистский характер движения для фотона, имеем

W_ф= mc²

или

 = h,

р_ф= mc,

т. е.

W_ф= h= р_фс.

С учетом этого закон сохранения энергии представим в виде

. (12)

Решив совместно (11) и (12) и после возведения в квадрат получаем

или

, (13)

где

(14)

 импульсы падающего и рассеянного фотонов;   угол рассеяния;

с  скорость света; h  постоянная Планка.

Используя связь длины волны с частотой в виде:

и

 = ^* ,

получим

.

Следовательно,

. (15)

Величину = 2,4310^12 м называют комптоновской длиной волны.

Максимальное значение  достигается для лучей, рассеянных под углом  = .

Явление Комптона наблюдается не только на электронах, но и любой заряженной частице, которая может взаимодействовать с электромагнитным излучением.

При повышении энергии падающих фотонов все больше и больше проявляются его корпускулярные свойства, заключающиеся в том, что фотоны превращаются в пары электрон  позитрон.

Это происходит, когда фотон достигает энергии h  2mc².

Такие фотоны вблизи ядер атомов превращаются в пары электрон  позитрон, а фотон исчезает.

Наряду с рождением частиц фотонов высоких энергий имеет место и обратный процесс  превращение электрона и позитрона в два или большее число фотонов.