Fizika - V. F. Dmitriyeva

Тут ми зазначимо, що енергетична зона не має ніяких просторових розмірів, а є поняттям, яке відображає той факт, що будь-який електрон кристала може мати енергії, які лежать у певних границях. Цими границями ( верхня і нижня межі зони. У фразі "ширина забороненої зони" під словом "ширина" треба розуміти лише те, що значення енергії електрона, який перебуває на даному рівні, відрізняється від енергії електрона, шо перебуває па іншому рівні, на АЕ.

Ширина забороненої зони визначає енергію АЕ, яку треба додатково надати електрону, щоб перевести його із заповненої зони в зону провідності.

І{ю енергію називають енергією активації і вимірюють в електрон-вольтах.

ІІапівпровідник може проводити струм, якщо електрони із заповненої зони перейшли в зону провідності. Звідси явище внутрішнього фотоефекту часто називають фотопровідністю.

Найближчі до ядра електрони міцно зв'язані з ядрами і не беруть участі в провідності. Електропровідність виникає лише завдяки валентним електронам зони провідності.

Механізм фотопровідності можна пояснити так. При освітлені поверхні напівпровідника фотон, поглинутий у напівпровіднику, віддає свою енергію валентним електронам. Якщо енергія фотона більша від ширини забороненої зони, то електрон переходить у зону провідності і стає електроном провідності, а в заповненій зоні утворюється дірка (див. § 137). Утворена дірка може бути заповнена одним з найближчих сусідніх електронів, але тоді звільниться місце, яке щойно займав електрон, тобто виникне нова дірка, і т. д. У цьому процесі електрон переміщатиметься проти напряму електричного поля, а вільне місце, що заповнюється електронами, - дірка - переміщується їм назустріч, у напрямі поля. В електричних і магнітних полях дірка поводиться аналогічно позитивному заряду, величина якого дорівнює заряду електрона. Отже, один поглинутий фотон вивільняє пару електрон - дірка, при освітленні провідника збільшусться кількість носіїв струму, збільшується струм при незмінній напрузі, що еквівалентно зменшенню опору.

При освітленні світлом, для якого ЙУ < АЕ , фотоефект не виникає.

§ 226, Типи фотоелементів

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом

У техніці великого поширення набули фотоелементи - прилади, дія яких ґрунтується на використанні фотоефекту. До них належать вакуумні фотоелементи, які практично не мають інерційності, і газонаповнені фотоелементи, що мають більшу інерційність, але й більшу чугливість.

541

На рис. 23.5, а і б показано зовнішній вигляд і схему фотоелемента, який складається із скляної або кварцової колби, частину внутрішньої поверхні якої покрито шаром світлочутливого металу К. За світлочутливий шар, ж правило, беруть .лужні метали, що мають невелику роботу виходу. Повітря з колби старанно видаляють.

Усередині колби є металеве кільце (або сітка) А. Як від світлочутливого шару, так і від кільця назовні зроблено виводи, за допомогою яких фотоелемент приєднують до батареї так, щоб металевий шар був катодом, а кільце - анодом. У коло ввімкнено також гальванометр для вимірювання струму. Світло, надходячи на катод, вибиває з нього електрони, які летять до анода. По колу йде фотострум, який виявляє гальванометр. Сучасні фотоелементи реагують не тільки на видиме світло, а навіть на інфрачервоні промені.

Чугливість вакуумних фотоелементів невелика (не перевищує кількох десятків мікроампер на люмен), тобто струм у колі вакуумного фотоелемента невеликий. Для підсилення струму (підвищення чутливості) у колбу вводять розріджений газ. У газонаповнених фотоелементах електрони, які вириваються світлом з катода, при достатніх напругах між катодом і анодом набувають такої швидкості, що можуть іонізувати частинки газу, який наповнює фотоелемент; виникає ударна іонізація. Утворені при цьому іони, в свою чергу, починають рухатись і іонізують нейтральні частинки газу; внаслідок цього до анода прямує лавина електронів, яка дедалі зростає, фотострум значно збільшується, чутливість фотоелемента зростає.

Основне технічне застосування фотоелементів - у фототелеграфії (передавання зображення на відстань по проводах), у телебаченні і в звуковому кіно *. Крім того, фотоелементи широко застосовують у фотореле, за допомогою яких автоматично приводять у дію найрізноманітніші механізми. У фотореле використано безінерційність фотоефекту, тобто здатність фотоелемента практично миттю реагувати на світлову дію або її зміну. Фотореле може працювати, коли на елемент потрапляє світло, або коли освітлення фотоелемента припиняється.

* У звуковому кіно фотоелементи застосовують для відтворення звуку, записаного на кінострічці у вигляді "звукової доріжки". У телебаченні в процесі передавання зображень на відстань у пере - давальному пристрої - іконоскопі - світлові сигнали перетворюються в електричні, дія цього поверхню іконоскопа покривають великою кількістю мікрофотоелементів. Світлові сигнали, перетворені в електричні, передаються у вигляді електромагнітних хвиль. Ці сигнали приймає антена телевізора, і в електронно-променевій трубці - кінескопі - вони перетворюються у світлові.

542

Фотореле мають різне застосування. Фотореле можуть у потрібний час ммикати і вимикати вуличні ліхтарі в містах, світло маяків і бакенів, сортувати рі ші деталі за кольором і формою, пускати або спиняти електродвигуни, иерстати тощо.

Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом

До них належать фотоопори І вентильні фотоелементи. Фото- і лементи з. внутрішнім фотоефектом мають значно більшу імерційність порівняно з фотоелементами, які грунтуються на зовнішньому фотоефекті.

Фотоопоралш називають напівпровідникові прилади, опір яких залежить від інтенсивності світла, яке падає на них. Принцип дії фотоопору і.ікий. У затемненому напівпровіднику при деякій температурі є певна кількість вільних електронів. Ці електрони зумовлюють звичайну (темпову) провідність напівпровідника. Якщо до затемненого фотоопору прикласти напругу, то виникне темповий струм / т , значення якого залежить від прикладеної напруги, В освітленому фотоопорі в шарі напівпровідника утворюються додаткові вільні електрони і дірки. У зв'язку з цим його провідність збільшується, струм /с у колі (його називають світлоеши) також збільшується. Різницю між світловим і темповим струмами називають фотострумом: І = /с - / г . Фотоопори широко застосовують у звуковому к і по, телебаченні, автоматиці, телем еханіці, для сигналізації.

Іншим видом застосування внутрішнього фотоефекту в приладах є венцільні фотоелементи, тобто елементи із запірним шаром. Вентильний ефект виникає в тих напівпровідниках, в яких між металом, і напівпровідником, або між напівпровідниками р- і и-типу поблизу поверхні контакту і і ворюється запірний шар, який має односторонню провідність (див. гл. 12). Внаслідок внутрішнього фотоефекту при освітленні рівноважний розподіл носіїв струму в зоні контакту порушується, змінюється порівняно з рівно-

543

шарі Р внаслідок внутрішнього фотоефекту виникають вільні електрони. Вони рухаються хаотично, проте на межі металу з провідником через вентильний ефект утворюється ЕРС, тому в металі виникає надлишок електронів, у напівпровіднику - надлишок дірок. Якщо коло при цьому замкнене, по ньому проходитиме струм. Отже, вентильний фотоелемент є генератором струму, який безпосередньо перетворює світлову енергію в електричну. На такому самому принципі грунтується дія сонячних батарей, які з успіхом використовують на космічних кораблях. Вентильні фотоелементи мають перевагу перед вакуумними, оскільки працюють без джерела струму.

§ 227. Тиск світла

Досліди Лебедєва

У 1901 р. П. М. Лебедєв, проводячи старанні вимірювання, встановив, що світло, падаючи на яку-небудь поверхню, чинить на неї тиск, який залежить від світлового потоку і відбивної здатності поверхні

цього тіла.

Пристрій, за допомогою якого П. М. Лебедєв вимірював світловий тиск, складався з легкого каркаса із закріпленими на ньому тонкими "крильцями" - світлими і темними дисками завтовшки від 0,01 до 0,1 мм (рис. 23.7). Диски були розміщені симетрично відносно осі підвісу, навколо якої каркас міг повертатися. Світло, падаючи на "крильця", чинило на світлі й темні диски різний тиск. Тому каркас, підвішений на тонкій скляній нитці, зазнавав обертального моменту, який закручував нитку. Тиск світла визначали за кутом закручування нитки.

Це явище можна пояснити як на основі хвильових уявлень про світло, так і з точки зору квантової теорії світла.

За електромагнітною теорією світла, тиск світла пояснюється виникненням механічних сил, які діють на електрони освітлюваного тіла з боку

електричного і магнітного компонентів електромагнітного поля.

544

Цей тиск на десять порядків менший від атмосферного тиску біля поверхні Землі.

Виміряти такий малий тиск П. М. Лебедєв зміг тільки внаслідок виняткової винахідливості і майстерності постановки і проведення експерименту.

Світловий тиск не відіграє ніякої ролі в явищах, з якими ми стикаємось у житті. Але в космічних і мікроскопічних системах його значення істотне.

У мікросвіті тиск світла проявляється в світловій віддачі, якої зазнає збуджений атом при випромінюванні ним світла. Гравітаційне притягання зовнішніх шарів зоряної речовини до її центра зрівноважується силою, значний внесок у яку дає тиск світла, що йде з глибини зорі назовні.

§ 228. Хімічна дія світла

Внаслідок дії світла в деяких речовинах відбуваються хімічні перетворення - фотохімічні реакції. Фотохімічні перетворення дуже різноманітні. Під дією світла складні молекули можуть розкладатися на складові частини (наприклад, бромисте срібло - на срібло і бром) або, навпаки, можуть утворюватись складні молекули (наприклад, якщо освітити суміш хлору і водню, то реакція утворення хлористого водню відбувається так бурхливо, що супроводиться вибухом).

Багато фотохімічних реакцій відіграють велику роль у природі і техніці, Головна з них - фотохімічний розклад вуглекислоти під дією світла в зелених частинах рослин. Ця реакція має величезне значення, бо вона забезпечує кругообіг вуглецю, без якого неможливе тривале існування органічного життя на Землі. Внаслідок життєдіяльності тварин і рослин (дихання) вуглець неперервно окислюється (утворення С02). Зворотний процес відновлення вуглецю проходить під впливом світла в зелених частинах рослин. Ця реакція відбувається за схемою

2С02 —> 2СО + О2 .

Фотохімічна реакція розкладу бромистого срібла - в основі фотографії і всіх її наукових та технічних застосувань. Явище вицвітання фарб, що зводиться переважно до фотохімічного окислення цих фарб, має дуже велике значення для розуміння процесів, які відбуваються в оці людини і тварини і лежать в основі зорового сприйняття. Дуже багато фотохімічних реакцій тепер використовують у хімічному виробництві, і, отже, вони мають безпосереднє промислове значення.

546

§ 229, Поняття про корпускулярнохвильову природу світла

Розглянуті вище явища теплового випромінювання і фотоелектричний ефект підтверджують достовірність гіпотези про дискретну природу світла. Але з позицій цієї гіпотези не можна пояснити такі явища, як, наприклад, інтерференція і дифракція світла, блискуче пояснені з точки зору електромагнітної (хвильової) теорії світла.

Фотонна гіпотеза не дає можливості створити послідовну корпускулярну теорію випромінювання: в основі цієї гіпотези лежить поняття кванта світла, основною характеристикою якого є його енергія в, пов'язана з частотою V. Частота є характеристикою неперервного періодичного процесу. Отже, частоту, яка визначає енергію кванта світла, запозичено з хвильової теорії.

Слід звернути увагу на таке. За класичним уявленням, енергія в матеріальної частинки має цілком певне значення. Але будь-яке випромінювання не може бути точно монохроматичним, тобто воно характеризується деякою шириною АУ спектрального інтервалу. У цьому розумінні вираз І: = Ну суперечливий. Справжній зміст цієї суперечності був розкритий при дальшому розвитку квантової механіки. Отже,

електромагнітне випромінювання - це складна форма матерії, яка мас подвійну корпускулярно-хвильову природу (інакше це назива-

ють корпускулярно-хвильовим дуалізмом).

Дослідження останніх десятиліть показують, що корпускулярнохвильовий дуалізм притаманний не тільки світлу, а й частинкам мікросвіту. Корпускулярно-хвильовий дуалізм - це прояв взаємозв'язку двох основних форм матерії: речовини і поля.

Короткі висновки

•Найбільш поширеним у природі видом електромагнітного випромінювання є теплове випромінювання. Теплове випромінювання відбувається завдяки внутрішній енергії речовини і тому властиве всім тілам при будь-якій температурі, відмінній від 0 К. Теплове випромінювання - рівноважне. Його спектр суцільний.

•Тіло, яке при будь-якій температурі поглинає всю енергію електромагнітного випромінювання, що падає на нього, довільної довжини хвилі називають чорним.

•Розподіл енергії в спектрі випромінювання чорного тіла залежить від довжини хвилі. Із збільшенням довжини хвилі спектральна густина енергетичної світності зростає, досягаючи чітко вираженого максимуму при деякій довжині хвилі Хтах , а потім спадає.

З підвищенням температури максимум випромінювання зміщується в бік коротших хвиль.

Запитання для самоконтролю і повторення

1. Назвіть характеристики теплового випромінювання. 2. Сформулюйте закон Кірхгофа. 3. Яке тіло називають чорним? 4. Побудуйте і поясніть криву розподілу енергії у спектрі чорного тіла. 5. Що називають люмінесценцією? 6. Сформулюйте гіпотезу Планка. 7. Що таке квант? Чому дорівнює енергія кванта? 8. Чому дорівнює енергія, маса, імпульс фотона? 9. Що називають явищем зовнішнього фотоефекту? 10. Сформулюйте закон Столєтова, 11. Поясніть рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. 12. Що таке червона межа фотоефекту? 13. Який фотоефект називають багатофотонним? 14. Який фотоефект називають внутрішнім? 15. Які ви знаєте типи фотоелементів? 16. Обчисліть тиск світла на основі квантової теорії. 17. Що таке фотохімічні реакції? 18. Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм?

Приклади розв'язування задач

Задача 1. Яку потужність треба підводити до свинцевої кульки радіусом 4 см, щоб підтримувати її температуру 27 °С, якщо температура навколишнього середовища - 23 °С? Вважати, що тепло втрачається тільки внаслідок випромінювання. Поглинальна здатність свинцю дорівнює 0,6.

Дано: г = 4 см = 0,04 м; Т = (273 + 21)К = 300А:; Т0 = (273 - 23) К =

=250К; р = 0,6. Знайти: р.

Розв'язання. За законом Стефана - Больцмана, енергетична світність абсолютно чорного тіла Ке = аТ4. З поверхні кулі £ = 4кг2 випромінюється тепловий потік Фе = 8оТ4 . Але оскільки випромінювання відбувається в середовищі з температурою Т0, то куля одночасно й поглинає потік випромінювання Ф0 = £стГ04. Результуючий потік випромінювання

Ф 1 = Ф е - Ф 0 = 5 а ( ^ _ Г 0 4 ) .

Зурахуванням поглинальної здатності кулі

р= ф,р = .Ура(г4 -Т04) = 4кг2ра(т4 -Г04).

Обчислення:

р= 4-3,14-16-10"4 м2 -5,67• 10~8 Вт• м- 2 х

хіГ4 (3002 К4 - 2502 К4) • 0,6 - 2,86 Вт.

Задача 2. У скільки разів збільшиться потік випромінювання чорного тіла, якщо максимум енергії випромінювання пересунеться від червоної межі видимого спектра до його фіолетової межі?

Дано: Хч =0,76 мкм; А,ф =0,38 мкм; Знайти: п = Феф / Фсч.

549