2. Застосування фотоелементів.
Застосування фотореле надзвичайно різноманітні. Воно вмикає і вимикає в потрібний час освітлення вулиць і майданів у містах, світло маяків і бакенів, сортує різні деталі за кольором і формою, запускає і зупиняє електродвигуни та верстати і т. д.
Фотореле є важливою частиною пристроїв техніки безпеки. Фотоелемент пильно слідкує за роботою машин і майже вмить зупиняє потужний прес або верстат, якщо рука людини раптом опиниться в небезпечній зоні.
За допомогою фотоелементів здійснюється передавання на великі відстані зображень рухомих предметів, відтворення звуку в звуковому кіно, передавання нерухомих зображень по фототелеграфу.
Досі ми розглядали зовнішній фотоефект (який звичайно називають просто фотоефектом), під час якого електрони вириваються з поверхні речовини. Але не менш широко використовується в техніці так званий внутрішній фотоефект, який спостерігається в напівпровідниках і діелектриках. Він полягає в тому, що під час опромінення напівпровідника чи діелектрика в них збільшується концентрація вільних носіїв зарядів і, отже, підвищується провідність. Це явище внутрішнього фотоефекту використовується в фоторезисторах (фотоопорах), опір яких залежить від освітленості. Фоторезистори також застосовуються для автоматичного управління електричними колами за допомогою світлових сигналів. На відміну від фотоелементів фоторезистори можна використовувати в колах змінного струму, оскільки їх опір не залежить від напряму струму.
Явище внутрішнього фотоефекту використовується також в будові напівпровідникових (або вентильних) фотоелементів, які безпосередньо перетворюють енергію світла в електричну. На відміну від раніше розглянутих, напівпровідникові фотоелементи самі можуть бути генераторами струму. Коефіцієнт корисної дії сучасних силіцієвих фотоелементів досягає 12—15 %. Батареї силіцієвих фотоелементів, які дістали назву сонячних батарей, успішно застосовуються на штучних супутниках Землі й космічних кораблях для живлення бортової радіоапаратури.
Одним з найважливіших застосувань фотоелементів є використання їх у звуковому кіно для відтворення звуку, записаного на кінострічці у вигляді «звукової доріжки». Одночасно з фотографуванням кінокадрів на стрічці здійснюють запис звуку. Розглянемо принцип оптичного запису звуку.
5Фотоелектронний помножувач (ФЕП) - пристрій, призначений для підсилення слабкого світлового сигналу й перетворення його в електричний. Фотопомножувачі викорстовуються в сцинтиляційних лічильниках.Фотоелектронний помножувач складається із фотокатоду, з якого при поглинанні кванта світла завдяки фотоефекту вибиваються електрони та кількох додаткових електродів, з яких вибиті й прискорені електрони вибивають нові вторинні електрони завдяки вторинній електронній емісії.Фотопомножувач був винайдений у 1930 радянським вченим Л. А. Кубецьким. Сучасні ФЕП – це високоякісні одноканальні приймачі випромінювання в ультрафіолетовому, видимому, і ближньому інфрачервоному діапазонах спектра (120 – 1200 нм). Світлочутливою поверхнею фото помножувача є фотокатод. Якщо електричним полем зібрати електрони, які вилетіли з фотокатода, ми отримаємо фотоелемент. Подібні фотоелементи використовувались в астрономії до ФЕП. На фотоелементі був побудований перший радянський фотоелектричний фотометр (1930). Технічний ФЕП представляє собою скляну циліндричну колбу, в якій створений вакуум. Щоб виготовити напівпрозорий фотокатод, на внутрішню поверхню переднього торця цієї колби, спочатку наноситься тонка підкладинка з металу (як правило з хрому). А потім на неї наноситься речовина, яка добре виділяє електрони під дією світла. Такими речовинами є метали та їхні оксиди, з обов’язковими домішками лужних металів: цезію, рубідію, калію, натрію. При попаданні світла на тонку прозору плівку в цих лужних металів створюється найкраща умова для вивільнення фотоелектронів.Спектральний квантовий вихід k(λ)
k(λ) = число вибитих електронів / число фотонів в даному інтервалі частот.
Спектральна чутливість ФЕП.Найменшу чутливість у видимій області має срібно-киснево-цезієвий катод S–1 (за ДСТУ С1). В нього є дві особливості по-перше, історично це перший фотокатод який використовувався у ФЕП. По-друге, хоча у цього фотокатода невисока чутливість у видимій області, зона його спектральної чутливості простягається до 11000 – 12000 Ǻ., тобто він продовжує працювати у ближній інфрачервоній області. Коли у Джонсона ще не було чутливих фотокатодів в області 7000 – 8000 Ǻ, він виконував виміри в червоній області спектра саме за допомогою катода типу S–1. Тому смуга R, створювана за допомогою світофільтра КС–14 та ФЕП–79, сильно відрізняється від такої ж смуги в Джонсона перш за все тим, що остання значно ширша і на п’ятипроцентному рівні чутливості простягається від 5400 Ǻ до 8900 Ǻ.При створенні системи UBV Джонсон використовував фотопомножувачем марки 1Р21. Це фотопомножувач з катодом типа S–11 (за ДСТУ–С6). Це - суряно-цезієвий катод. В області 4000 Ǻ. він має в 20 разів більший квантовий вихід, в порівняні з катодом типу S-1. До 6500 Ǻ Чутливість того катода спадає практично до нуля.Фотокатод типу S–20 (за ДСТУ–С11), називається мультилужним. В його склад входить Sb(Na2K), з адсорбованим шаром цезію на поверхні. Ці катоди найбільше використовуються в зоряній астрономії. В будь-якого фотокатода, до якого підключена напруга виника фотострум, навіть при відсутності освітлення. Це явище має назву термоелектронної емісії. Воно викликане тепловим рухом електронів. Фотострум, викликаний цим рухом, називаєтся темновим струмом. В срібно-киснево-цезієвих катодах типу S-1, при кімнатній температурі, термоемісія дуже велика: кожну секунду вилітають десятки тисяч термоелектронів. На таком фоні неможливо виміряти долю фотостуму, викликаного світлом зорі Зменшити темновий струм можна шляхом охолодження фотокатода. Часто використовується охолодження твердою вуглекислотою до температури –70 °C. Фотокатоди типів S-11 і S-20 мають при кімнатній температурі, термоемісію на 3–4 порядки меншу, тому охолодження не використовується. В наш час великою популярністю короистуються фотопомножувачі японскої фірми Hamamatsu. До цього в нашій державі найчастніше використовувався фотопомножувач ФЕП—79.
ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА И МОЛЕКУЛЫ - квантовый переход атома или молекулы с более низкого (напр., основного) уровня энергии на более высокий при поглощении ими фотонов (фотовозбуждение) или при столкновениях с электронами и др. частицами (возбуждение ударом).
Под действием света относительно слабой интенсивности В. а. и м. происходит в результате поглощения одного фотона частоты и энергии , где - энергии нач. и конечных уровней энергии атомной системы (с учётом ширины уровней). Сечение фотопоглощения равно:где - длина волны света, - статистич. веса начальных и конечных уровней энергии; безразмерная величина - вероятность спонтанного испускания, приходящаяся на единичный интервал частот, зависящая от сорта атомов и характеристик уровней энергииВ поле лазерного излучения возможно возбуждение с одноврем. поглощением неск. фотонов, суммарная энергия к-рых равна энергии перехода в атоме или молекуле (см. Многофотонные процессы).При столкновениях с электронами и др. атомными частицами элементарный акт В. а. им. характеризуется сечением возбуждения , зависящим от строения сталкивающихся частиц и скорости их относит. движения v (см. Столкновения атомные ).Для анализа кинетики возбуждения используется величина, наз. скоростью возбуждения:где - ф-ция распределения по скоростям возбуждающих частиц. Кинетич. энергия частиц, равная энергии перехода в атоме (молекуле), наз. пороговой. При возбуждении нейтральных атомов (кроме водорода) электронами пороговой энергии равно нулю. С ростом энергии электронов вплоть до значений порядка 2-5 пороговых (в зависимости от строения электронных оболочек) возрастает, а при больших энергиях начинает убывать. На возрастающей части кривой зависимости от энергии электронов возможно наличие неск. максимумов, связанных с интерференцией разл. квантовых состояний атома (см. Интерференция состояний).Для атома водорода сечения возбуждения конечны и при пороговых значениях энергии электронов, что связано с наличием вырождения уровней с разл. значениями орбитального квантового числа (рис. 1). Для всех положит. ионов сечения а возбуждения также конечны при пороговых значениях энергии электронов вследствие дальнодействующего взаимодействия между ионом и внеш. электроном.
6, КОМПТОНА ЭФФЕКТ (комптон-эффект, комптонов-ское рассеяние) - рассеяние эл--магн. волны на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты. Эффект наблюдается для больших частот рассеиваемого эл--магн. излучения (в рентг. области и выше). Он проявлялся уже в первых опытах по рассеянию рснтг; лучей на свободных электронах, но впервые с требуёмой тщательностью был изучен А. Комп-тоном (A. Compton) в 1922-23. Исторически К. э. явился одним из гл. свидетельств в пользу корпускулярной природы эл--магн. излучения (в частности, света). С точки зрения классич. электродинамики рассеяние с изменением частоты невозможно.
Элементарная теория эффекта была дана А. Комп-тоном и независимо от него П. Дебаем (P. Debye) на основе представления о том, что рентг. излучение состоит из фотонов .Для объяснения эффекта приходилось предположить, что фотон обладает как энергией , так и импульсом (здесь v и - частота и длина волны света, п - единичный вектор в направлении распространения волны).
Комптон рассмотрел упругое рассеяние фотона на свободном покоящемся электроне (что является хорошим приближением для рассеяния фотонов рентг. лучей на атомных электронах лёгких атомов). При рассеянии фотон передаёт электрону часть энергии и импульса, что соответствует уменьшению частоты (увеличению длины волны) рассеиваемого света. Из законов сохранения энергии и импульса он получил ф-лу для сдвига длины волны:
где - длины волн до и после рассеяния, - угол рассеяния, mе - масса электрона. Параметр наз. комптоновской длиной волны электрона и равен 2,4*10-10 см. Из кинематики процесса легко также определить энергию и импульс электрона отдачи.
Поскольку ф-ла (*) основана только на кинематпч. соображениях, она оказывается справедливой и в точной теории. Из неё следует, что относит. изменение длины волны велико только для коротких длин волн, когда
Данная Комптоном упрощённая теория эффекта не позволяет определить все характеристики компто-новского рассеяния, в частности зависимость интенсивности рассеяния от . Точная релятивистская теория К. э. была сформулирована в рамках квантовой электродинамики. (КЭД). Во втором порядке теории возмущений К. э. в КЭД описывается двумя Фейнмана диаграммами, изображёнными на рис. 1. Вычисление по этим диаграммам (с использованием Дирака уравнения для электрона) дифференц. сечения К. э. приводит к Клейна - Нишины формуле, хорошо согласующейся с опытом.