Фотоэффект.

Фотоэлементы: вакуумный и полукпроводниковый.

Применениеселенового фотоэлемента в качестве люксметра.

Фотоэлектронный умножитель.

Электронно-оптический преобразователь.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного, ультрафиолетового и других).

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887 году Герцем и подробно исследован в 1888 году А.Г.Столетовым).

Если же электроны теряют связь только со "своими" атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве "свободных электронов" (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 году американским физиком У.Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах. Если отрицательнозаряженную цинковую пластинку, соединенную с электроскопом, осветить УФ светом, то электроскоп быстро разрядится; в случае положительно заряженной пластинки разрядки не происходит. Отсюда следует, что свет вырывает из металла отрицательно заряженные частицы. Определение величины их заряда (выполненное в 1898 году Дж.Дж.Томсоном) показало, что эти частицы являются электронами.

Экспериментальные исследования, выполненные СТолетовым, а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения I (то есть максимальное число электронов, освобожденных светом в 1 сек) прямо пропорционален световому потоку Ф:

I = кФ, где к - называется фоточувствительностью освещаемой поверхности (измеряется в мка на момент).

2. Скорость фотоэфлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой "красной границей" фотоэффекта.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света.

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светового потока определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. КАждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (1-ый закон фотоэффекта).

Энергия фотона h, поглощенная электроном, расходуется на совершение электроном работы выхода A из металла; оcтавшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона (гдеm - масса электрона,V - его скорость).

Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно написать:

Эта формула, предложенная в 1905 году Энштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Энштейна.

Из уравнения Энштейна непосредственно видно, что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности (поскольку ни A, ни  не зависит от интенсивности света). Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.

Согласно формуле (1), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (величина A постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой достаточно мА лой частоте   ₀ (или длине волны ) кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю () и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это будет иметь место приh₀ = A, то есть в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда

или .

Эти формулы определяют "красную границу" фотоэффекта. Из них следует, что она зависит от величины работы выхода, то есть от материала фотокатода. Приведем значения красной границы фотоэффекта и работы выхода для некоторых металлов:

 гр., нм A, эв

платина 235 5,29

серебро 260 4,75

вольфрам 276 4,50

цинк 290 4,20

торий 364 3,41

натрий 552 2,25

цезий 620 1,89

Термин "красная граница" не означает, что граница фотоэффекта обязательно попадает в область красного цвета.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается также при условии, что энергия фотона достаточна для переброса электронов в зону проводимости с донорных примесных уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уровни. Так в полупроводниках возникает фотоэлектропроводимость.

В области p-n-перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект - разновидность внутреннего. В этом случае под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем p-n-перехода: электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки – в полупроводник типа p. При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, то есть возникает фотоэлектродвижущая сила порядка 0,1-0,15 в.

Вентильный фотоэффект может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.

Фотоэлектрические устройства.

Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными.

Рассмотрим один изнаиболее распространенных фотоэлектронных приборов - вакуумный фотоэлемент. Он основан на внешнем фотоэффекте и состоит из источника электронов - фотокатода K, на который попадает свет, и анода A. Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нане-сен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке приведена схема включения фотокатода в цепь.

Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки вольтамперных характеристик, полученных при разных значениях светового потока (ф₂ > ф₁).

Основной параметр фотоэлемента - его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения ~100 мка/лм.

Для усиления фототока применяют фотоэлектронные умножители(ФЭУ) - приборы, в которых кроме фотоэффекта используется явление вторичной эмиссии электронов, проходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов.

Рассмотрим схему ФЭУ. Падающие на фотокатод K фотоны эммитируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э₁. В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, то есть проходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнениюс первичным фототоком.

ФЭУ применяют для регистрации малых световых потоков. Например, для регистрации сверхслабой биолюминесценции и так далее.

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

Схема простейшего ЭОП: рисунок

Световое изображение объекта 1, спроектированное на полупрозрачный фотокатод K, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран L. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшитьдозу облучения человека.

ЭОП способен преобразовать ИК излучение в видимое, что, в частности используется для термографической диагностики заболевания.

Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока. Их чувствительность достигает нескольких тысяч мка/лм.

Рассмотрим селеновый фотоэфлемент. Он представляет стальную пластинку 1, которая служит одним из электродов и покрыта тонким слоем 2 селена с дырочной проводимостью (типа p). Поверх селена нанесен тончайший слой 3 серебра, который служит вторым электродом. Атомы серебра проникают в прилежащий к нему слой селена и придают ему электронную проводимость (типа n). Между верхним и нижним слоями селена образуется запирающий слой, в котором возникает контактная разность потенциалов (КРП), направленная от n-к p-слою.

При действии света в селене (преимущественно в верхнем слое) происходит фотоэффект - электроны отрываются от атомов и на их месте остаются дырки. Электроны в этом слое - основные носители зарядов и через запирающий слой проходить не могут. Дырки - неосновные носители зарядов и под действием КРП проходят через запирающий слой в нижнюю часть селена (а). Аналогично из нижнегослоя селена в верхний проходят только электроны. Таким образом, положительные и отрицательные заряды, освободившиеся под действием света, разделяются по обе стороны от запирающего слоя (б) и образуют разность потенциалов, или э.д.с. фотоэлемента. Количество электронов и дырок, освобождающихся в единицу времени, а соответственно, и разность потенциалов между электродами прямо пропорциональны световому потоку, падающему на фотоэлемент. Это свойство, а также поскольку чувствительность спектральная селенового фотоэлемента близка к спектральной чувствительности газа, позволяет применять селеновый фотоэлемент в различных приборах для световых измерений, в частности в люксметрах, в эксионометрах и так далее.

Другие вентильные фотоэлементы (сернистоталлиевый, германиевый и другие) чувствительны к ИК излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, то есть как бы расширяют возможность зрения.

На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д. = 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА.

Распространяющееся электромагнитное поле, в котором напряженности электрического и магнитного полей изменяются по какому-нибудь периодическому закону, называют электромагнитной волной. Очевидно, источником электромагнитной волны может быть люьой электрический колебательный контур или даже любой проводник, по кторому течет переменый ток. Скорость распространения электромагнитных волн постоянна для данной (однородной и изотопной) среды и равна скорости света (в вакууме с = 3  10⁸ м/сек).

Электромагнитное поле графически изображается совокупностью электрических и магнитных силовых линий.

Уравнение электромагнитной волны.

Составим уравнение для наиболее простого случая - плоской электромагнитной волны, распространяющейся вдоль некоторого направления ОХ, в которой векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н поля сохраняют постоянные направления в пространстве (такая волна называется плоскополяризованной). Направим эти векторы вдоль координатных осей: Е вдоль ОZ ; Н вдоль ОУ.

Предположим, что в начальный момент времени (t = 0) в исходной точке пространства (х = 0) создано переменное электрическое поле Е, которое индуктирует магнитное поле Н. Через промежуток времени dt в соседней точке на расстоянии dx напряженности полей будут Е+dE и H+dH соответственно. При этом приращение электрического поля dE обусловлено скоростью изменения магнитного поля, а приращение магнитного поля dH - скоростью изменения электрического поля (эти скорости зависят от свойств среды, что в СИ учитывается с помощью абсолютных проницаемостей и).

Опуская подробности,такая связь между скоростями изменения напряженностей Е и Н по времени и расстоянию может быть выражена, путем приравнивания частных производных от напряженностей Е и Н по расстоянию х и времени t:

Эти уравнения называются уравнениями Максвелла для плоской электромагнитной волны. Решение этих уравнений и составит искомое уравнение волны. Мы с вами рассматривали аналогичные уравнения в курсе механики. Поэтому подробное решение приводить не будем. Получим:

или

где .

Решениями этих уравнений являются гармонические (синусоидальные) функции.

где Е и Н - мгновенные, а Еm и Hm - максимальные значения напряженностей,  - круговая частота колебаний векторов Е и Н, V - cкорость распространения волны в направлении ОХ:

где = 3  10 м/сек - скорость электромагнитной волны в вакууме.

Из уравнений следует, что в электромагнитной волне (в вакууме и изотопной среде) векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (то есть электромагнитная волна - поперечная), колебания этих векторов происходят в фазе и их величины связаны соотношением:

Привести графики.

Объемная плотность энергии электромагнитного поля.

Энергия электромагнитного поля складывается их энергии электрического поля и энергии магнитного поля. Мгновенное значение объемной плотности энергии электромагнитного поля равно

w_ЭМ = w_Е + w_Н =

Учитывая, что , получим

w_ЭМ В системе СГС w_ЭМ =

где Е и Н - мгновенные значения напряженностей полей.

Плотность потока энергии волны I можно получить, умножим объемную плотность энергии поля на скорость волны :

I = w_ЭМ V =

В системе СГС

Плотность потока энергии - это вектор, совпадающий с направлением распространения волны. В данном случае он называется вектором Умова-Пойнтинга.

Шкала электромагнитных волн.

По современным представлениям, свет имеет двойственные корпускулярно-волновые свойства.

Волновые свойства света проявляются преимущественно в явлениях, свяанных с его распростнанением (интерференция, дифракция, отражение, преломление и др.). Поэтому при изучении этих явлений исползуется главныи образом волновая теория, хотя она и не учитывает прерывности световой волны.

Корпускулярные свойства проявляются преимущественно при взаимодействии света с веществом (фотоэффект и др.), которое и рассматривается главным образом с точки зрения фотонной теории.

Основной характеристикой световых волн является частота колебаний  (частота колебаний векторов напряженности Е и Н электромагнитного поля). В волновой теории чаще используется связанная с ней длина волны в вакууме: , где с - скорость света в вакууме. Частота колебаний (длина волны в вакууме) влияет на свойства излучения и в определенных интервалах частот излучение приобретает особые качества. Например, электромагнитное излучение в определенном диапазоне частот действует на глаз, а в другом диапазоне (рентгеновские лучи) проникает в глубь веществ, непроницаемых для остального электромагнитного излучения и т.п.

В соответствии с условиями возбуждения и свойствами излучения электромагнитные волны делятся по частоте (или длине волны) на 6 диапазонов: радиоволны (длинные, средние, короткие), инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские волны и - лучи, шкала приведена по мере возрастания частот, т.е. убывания длин волн.

Излучение радиоволн обусловлено переменным токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Излучение инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых волн исходит из атомов, молекул и быстро заряженных частиц (микроизлучатели). Рентнеговское излучение возникает при внутриатомных процессах, -лучи имеют ядерное происхождение.

Некоторые диапазоны перекрываются, т.к. волны одной и той же длины могут обраоваться в разных процессах. Так наиболее короткие УФ лучи перекрываются с длинноволновыми рентгеновскими.

Электромагнитное излучение с  в пределах от 400 мкм до 10 нм называется оптическим излучением. Оптическое излучение в пределах длин волн от 760 до 380 нм, действуя на глаз, вызывает ощущение света. Оно называется видимым излучением. Видимое излучение с различными длинами волн вызывает в глазу качественно отличное излучение: это различие называют цветом света.

Излучение может быть простым или монохроматическим, и сложным. Монохроматическим называют излучение какой-либо одной длины волны.

Излучение, состоящее из длин волн различной длины, называется сложным.

Среди множества различных видов сложного излучения выделяют белый свет. Белым светом называют видимую часть излучения Солнца, а также излучения нагретых до высокой температуры (нескольких тысяч градусов) непрозрачных жидких и твердых тел. Это излучение характерно тем, что оно содержит все волны видимого диапазона в определенном соотношении по интенсивности.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. КОГЕРЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ.

Интерференцией света называют наложение когерентных волн.

Когерентными называют колебания или волны (а также и их источники) одинаковой частоты, имеющие постоянную во времени разность фаз слагаемых волн в различных точках, которая обусловлена самими источниками колебаний.

В обычных условиях довольно часто встречается наложение световых волн от различных источников, но интерференция света не наблюдается, так как эти источники не когерентны: в каждом из них свет излучается одновременно множеством атомов, поэтому фаза результирующих колебаний быстро и беспорядочно меняется.

Когерентные световые волны, необходимые для осуществления интерференции в опыте можно получить, например, путем разделения на две части световой волны от какого-либо источника, например с помощью зеркал Френеля, бипризмы Френеля, щели Юнга, зеркал Ллойда.

Бипризма Френеля состоит их двух призм с малым преломляющим углом, сложенных основаниями, каждая из призм отклоняет к своему основанию пучок лучей от источника S монохроматического света в виде щели, параллельной общему ребру бипризмы. Выходя из призмы, световые пучки против этого ребра частично накладываются друг на друга и интерферируют между собой. Явление можно рассматривать как наложение волн от двух мнимых когерентных источников S.

Щели Юнга. На пути сферической волны, идущей от источника S, устанавливается непрозрачная преграда с двумя щелями. Точки волновой поверхности, дошедшей до преграды, становятся центрами когерентных вторичных волн, поэтому щели можно рассматривать как когерентные источники. На экране наблюдается интерференция.

Мнимое изображение S источника S может быть получено при помощи специального однослойного зеркала Ллойда. Источники S и S

можно рассматривать как когерентные. Они создают интерференцию.

Если складываются монохроматические волны, то на эеране наблюдается чередование светлых и темных полос. Светлые полосы образуются волнами, встречающимися в одной и той же фазе, темные полосы образуются волнами, встречающимися в противоположных фазах.

В случае если источник S дает белый свет, то на экране в середине будет светлая полоса белого цвета, так как для максимума нулевого порядка разность хода, равная нулю, одинакова для волн любой длины. По обе стороны светлой полосы (чередуясь с темными полосами - минимумами) симметрично расположатся спектрально окрашенные полосы максимумов 1-ого, 2-ого и других порядков, в которых ближе к нулевому максимуму будут находиться зоны фиолетового цвета (с наименьшей длиной волны), с противоположной стороны - зоны красного цвета (с наибольшей длиной волны).

Рассмотрим интерференцию плоских волн, векторы Е которых перпендикулярны плоскости чертежа. Колебания вектора Е этих волн в некоторой т., удаленной на расстоянии х₁ и х₂ соответственно от каждого источника, проходят по гармоническому закону:

(1)

Пусть волны распространяются в разных средах с показателями преломления n₁ и n₂.

Скорости распространения волн соответственно равны:

и ,

где с - скорость света в вакууме. Тогда из (1) следует выражение для разности фаз:

Произведением геометрического пути на показатель преломления среды, т.е. хn, называют оптической длиной пути, а разность этих путей

 = x₁ n₁ - x₂ n₂ - оптической разностьюхода. (3)

На основании (2) и (3) получим связь между разностью фаз и оптической разностью хода интерферирующих волн:

Используя законы сложения колебаний и соотношение (4), получим условие максимума интенсивности света при интерференции:

и условие мимимума:

где k = 0, 1, 2, . . .

Следовательно, максимум интерференции наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода равна целому числу длин волн (четному числу полуволн), минимум - в тех точках, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн.

Интерференция света в тонких пленках. Просветленная оптика.

Образование когерентных волн и интерференции происходит также при попадании света на тонкую пластинку или плёнку.

Опуская вывод запишем условие максимума интерференции: (I)

Для минимума имеем: (II)

В этих условиях учтено, что при отражении света от среды оптически более плотной имеет место потеря половины длины волны.

Приведение формулы соответствуют интерференции в отраженном свете.

Интерференция в проходящем свете через пластинку показана на рис.2; изображены только те лучи, которые необходимы для понимания явления.

При интерференционных исследованиях обычно создают условия, при которых имеет место очень постепенное и равномерное изменение или толщины пластинки, или угла падения света. При этом интерференционная картина принимает вид чередующихся параллельно светлых и темных полос при монохроматическом свете и спектрально окрашенных при белом. В 1-ом случае полосы соответствуют точкам пластинки с одинаковой толщиной и называются полосами равной толщины, во втором - точкам падения лучей под одинаковым углом и называются полосами равного наклона. Ширина полос зависит от толщины пластинки; чем тоньше пластинка, тем шире полосы.

Интерференция при отражении наблюдается более отчетливо, чем в проходящем свете, что обусловлено существенным различием интенсивностей отраженного и проходящего лучей. Т.е. при отражении имеет место приближенное равенство амплитуд интерферирующих лучей, а при интерференции в проходящем свете интерферируют волны с существенно различными амплитудами, поэтому максимумы и минимумы мало отличаются друг от друга и интерференция слабо, заметна.

При освещении параллельным монохроматическим пучком света тонкой плоскопараллельной пластинки под некоторым углом, эта пластинка в отраженном свете выглядит яркой или темной.

В реальных условиях радающий пучок не является строго параллельным и не имеет одного определенного угла  . Такой небольшой разброс  при значительной толщине пластины d может приводить к существенному различию левых частей в формулах (I) и (II), и условиях максимума и минимума не будут выдержаны для всех лучей пучка света. Это одно из соображений, поясняющих причину интерференции, которую можно наблюдать лишь в тонких пластинах и плёнках.

Интерференция света в тонких плёнках имеет практическое применение, например, при изготовлении просветленной оптики. В объективах оптических приборов происходит значительная потеря световой энергии, отраженной поверхностями линз, вследствие чего уменьшается доля энергии, поступающая к регистрирующим устройствам - глазу, фотопластинке и т.д. В связи с этим поверхности оптических систем покрывают тонким слоем окислов металлов так, чтобы для некоторой средней, для данной области спектра, длины волны был минимум интерференции в отраженном свете. В результате возрастает доля прошедшего света. Покрытие оптических поверхностей специальными пленками называют просветлением оптики, а сами оптические изделия с такими покрытиями - просветленной оптикой.

Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе.

Интерферометрами называют измерительные и контрольные приборы, основаннные на интерференции света.

Они применяются для измерения с высокой степенью точности, длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей.

Рассмотрим схему устройства интерферометра Жамена, называемого ткаже интерференционным рефрактометром, который применяется для определения показателя преломления газов, мало отличающихся от единицы.

Прибор состоит из двух идентичных толстых зеркальных пластин А и Б, установленных почти параллельно между собой и под  45⁰ к направлению параллельного пучка света от источника S. Вследствие отражения от передней и задней поврхностей пластины А луч 1-2 разделяется пространственно на два луча 1 и 2 , которые отразившись от пластины Б, вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат наблюдается в зрительную трубу, расположенную по направлению лучей 1 - 2. Так как пластины А и Б расположены между собой под небольшим углом, то между лучами 1 и 2 образуется разность хода и в зрительную трубу наблюдается система прямых интерференционных полос равного наклона. Если на пути лучей 1 и 2 поместить две прозрачные кюветы К₁ и К₂ одинаковой длины l: одну наклоненную исследуемым газом с показателем преломления n, а вторую - вакуумную (no = 1), то между лучами 1 и 2 создается дополнительная разность хода = l (n - 1). Она вызовет смещение интерференционных полос. Так как смещение на одну полосу соответствует изменению разности хода на одну длину волны, то смещение на m полос будет соответствовать раности хода

 = l(n - 1).

Cледовательно, l(n - 1) = m , откуда .

Интерферометр Жамена, позволяющий легко и быстро обнаружить изменение состава газа или появление в нем прмесей, применяется в санитарной практике для контроля чистоты воздуха в производственных помещениях, шахтах и т.п.

Сочетание двухлучевого интерферометра и микроскопа, используют в биологии для измерения показателя преломления, концентрации сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов. Он получил название интерференционного микроскопа.

Луч света, как и в интерферометре, в точке А раздваивается, один луч проходит через прозрачный микрообъект М, а другой - вне его. В точкеD лучи соединяются и интерферируют, по результату интерференции судят об измеряемом параметре.