Волновая и квантовая оптика: Конспект лекций по курсу общей физики. Единое окно доступа к образовательным ресурсам
Главная
Каталог
Библиотека
Форум
Новости
Глоссарий
Порталы
О проекте
Волновая и квантовая оптика: Конспект лекций по курсу общей физики
Текстовая версия документа PDF (размер: 1799 КБ)
Качество преобразования для различных документов может сильно различаться. Изображения (картинки, формулы, графики) в документе игнорируются. Защищённый документ не может быть преобразован.
Предыдущая
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Следующая
Тема 12. Фотоэффект.
12.1. Внешний фотоэффект.
12.2. Внутренний фотоэффект.
12.3. Вентильный фотоэффект.
12.4. Применение фотоэффекта.
12.5. Масса и импульс фотона. Давление света.
12.5.1. Экспериментальное изучение давления света.
12.5.2. Давление света в рамках теории фотонов.
12.1 Внешний фотоэффект
В 1887 г. Г.Герц обнаружил, что при освещении отрицательного
электрода искрового разрядника ультрафиолетовыми лучами разряд
происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствии
такого освещения. Это явление как показали опыты А.Г.Столетова (1888 –
1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных
зарядов из металлического катода разрядника.
Схема опытов Столетова представлена на рисунке 52. Плоский
конденсатор, одной из обкладок которого служила медная сетка С, а в
качестве второй – цинковая пластина D, был включен через гальванометр G в
цепи аккумуляторной батареи Б. При освещении отрицательно заряженной
пластины D светом от источника S в цепи возникал электрический ток,
называемый фототоком.
- 91 -
Рис. 52. Схема опыта Столетова
Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D.
Освещение положительно заряженной обкладки С конденсатора не
приводило к возникновению фототока. Тем самым Столетов пришел к
выводам:
1. наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;
2. сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины;
3. испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный
знак.
Спустя 10 лет (в 1898 г.) Ленард и Томсон, измерив удельный заряд
испускаемых частиц, установили, что эти частицы являются электронами.
Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под
действием света получило название внешнего фотоэффекта.
Экспериментальные исследования внешнего фотоэффекта у металлов
показали, что это явление зависит не только от химической природы металла,
но и от состояния его поверхности.
Даже ничтожные загрязнения поверхности металла существенно
влияют на эмиссию электронов под действием света.
Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего
фотоэффекта:
- 92 -
1. максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется
частотой света и не зависит от его интенсивности;
2. для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта,
т.е. минимальная частота света, при которой еще возможен внешний
фотоэффект;
3. число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу
времени, пропорционально интенсивности света.
Для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода Aвых .
В результате поглощения фотона, электрон приобретает энергию hν . Если
hν ≥ Aвых , то электрон может совершить работу выхода и вырваться из
металла. В соответствии с законом сохранения энергии максимальная
кинетическая энергия фотоэлектрона равна:
mυ2
= hν − Aвых .(86)
2
Это уравнение впервые было предложено Эйнштейном и называется
уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно получено в
предположении, что электроны в металле движутся независимо друг от
друга, поэтому передача фотоном энергии одному из электронов не изменяет
энергии всех остальных электронов. Такие процессы называются
однофотонными. С изобретением лазеров были получены недостижимые до
тех пор мощности световых пучков. Это дало возможность осуществить
многофотонные процессы, в том числе и многофотонный фотоэффект, в ходе
которого электрон приобретает энергию не от одного, а от N фотонов.
В этом случае красная граница фотоэффекта смещается в сторону
более длинных волн.
12.2 Внутренний фотоэффект
В кристаллических полупроводниках и диэлектриках, помимо
внешнего фотоэффекта, наблюдается внутренний фотоэффект, состоящий в
- 93 -
том, что под действием излучения увеличивается электропроводность этих
веществ за счет возрастания в них свободных носителей тока. Это явление
называют еще фотопроводимостью.
В диэлектрике и беспримесном полупроводнике зона проводимости не
содержит электронов, а лежащая ниже ее следующая валентная зона целиком
заполнена электронами (рис.53 а).
а) б) в)
Рис. 53. Энергетические диаграммы полупроводников:
а) беспримесного; б) n – типа; в) p – типа
Разность W между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и
верхнем уровне валентной зоны называется энергией активации
проводимости вещества. У полупроводников W значительно меньше, чем у
диэлектриков. Если энергия фотона hν ≥ W , то при поглощении фотона,
электрон может быть переброшен из валентной зоны в зону проводимости.
Таким образом, под действием света в зоне проводимости появляются
электроны, а в валентной зоне – «положительные дырки». Эти пары
разноименно заряженных носителей тока способны под действием внешнего
электрического поля приходить в упорядоченное движение, образуя
электрический ток. Очевидно, что концентрация электронов проводимости и
дырок, а также зависящая от нее электропроводимость вещества,
пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности
вещества в единицу времени. В примесных проводниках с небольшим
содержанием примесей вероятность поглощения фотонов электронами
примесных атомов мала. Поэтому изменение проводимости под действием
- 94 -
света также в основном связано с переносом электронов из валентной зоны в
зону проводимости и образованием пар разноименных носителей тока –
электронов проводимости и дырок. Однако характер проводимости для
электронных (n – типа) и дырочных (p – типа) примесных полупроводников
различен.
В электроном полупроводнике имеются примесные донорные уровни
энергии а, которые находятся вблизи «дна» зоны проводимости и заняты
электронами (рис. 53, б). В процессе образования пар положительные дырки
рекомбинируют с электронами донорной примеси. Поэтому
фотопроводимость n – полупроводника имеет чисто электронный характер.
В дырочном полупроводнике поглощение фотонов вызывает переход
части электронов из валентной зоны в зону проводимости, а оттуда – на
вакантные акцепторные примесные уровни с, расположенные вблизи
верхнего края валентной зоны (рис. 53, в).
При этом в валентной зоне образуются «положительные дырки», так
что фотопроводимость p – полупроводника является чисто дырочной.
12.3 Вентильный фотоэффект (фотоэффект в запирающем слое)
Особый практический интерес представляет вентильный фотоэффект
(фотоэффект в запирающем слое), состоящий в возникновении
электродвижущей силы вследствие внутреннего фотоэффекта вблизи
поверхности контакта между металлом и полупроводником, обладающим
односторонней проводимостью. Внутренний фотоэффект в полупроводнике
вызывает нарушение равновесного распределения носителей тока в области
контакта и приводит к изменению контактной разности потенциалов по
сравнению с равновесной, т.е. к возникновению фотоэлектродвижущей силы.
- 95 -
12.4 Применение фотоэффекта
На явление фотоэффекта основано действие фотоэлектронных
приборов, получивших разнообразное применение в различных областях
науки и техники.
Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является
вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный
баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для
доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим
фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка,
помещаемая в центре баллона. Выбор материала фотокатода определяется
рабочей областью спектра. Для регистрации видимого света и инфракрасного
излучения используется кислородно-цезиевый катод, а для регистрации
ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света
выбирается сурьмяно – цезисвый фотокатод. Вакуумные фотоэлементы
безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность
фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать
вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например,
фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т.
д.
Для повышения чувствительности иногда наполняют колбу
фотоэлемента каким – либо газом, не вступающим в реакцию с веществом
фотокатода. В таких газонаполненных фотоэлементах выбитые из катода
электроны при своем движении к аноду ионизируют атомы газа.
Образующиеся в газе ионы и электроны движутся к электродам
фотоэлемента, заметно увеличивая исходный фототок. Чувствительность
таких устройств велика (она достигает 500 мкА/лм), но их вольт – амперная
характеристика имеет более сложный вид, чем обычная.
Другим недостатком газонаполненных фотоэлементов является их
инерционность, приводящая к искажению фронта регистрируемого сигнала и
ограничивающая возможность измерения модулированных и
- 96 -
быстроизменяющихся световых потоков. При частоте модуляции в несколько
килогерц обычно уже невозможно использование газонаполненных
фотоэлементов.
Существенный прогресс в фотоэлектрических измерениях достигнут в
40 50 – е годы, когда в практику начали широко внедряться фотоэлектронные
умножители (ФЭУ). Идея создания таких приборов была выдвинута
исследователями еще в 20 – е годы 20-го века.
Для усиления фототока применяются фотоэлектронные умножители, в
которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной
электронной эмиссии.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые
полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями
(фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной
чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются
PbS , CdS , PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды
вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную
границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений
позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра
(3 – 4 мкм), а так же в областях рентгеновского и гамма – излучений. Кроме
того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток
фотосопротивлений – их заметная инерционность, поэтому они непригодны
для регистрации быстропеременных световых потоков.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными
фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая, подобно
элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью
фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними
интегральную чувствительность (примерно 2 – 30 мА/лм) и не нуждаются во
внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных фотоэлементов относятся
германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные.
- 97 -
Кремниевые и другие фотоэлементы применяются для создания
солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в
электрическую. Эти батареи уже в течении многих лет работают на
космических спутниках и кораблях. КПД этих батарей составляет 10%.
Фотодиод представляет собой полупроводниковую пластинку, внутри
которой имеются области электронной ( n - область) и дырочной ( p -
область) проводимости, разделенные электронно-дырочным переходом (рис.
54).
Рис. 54. Образование носителей заряда в p − n переходе при освещении его светом
Из полупроводника n - типа электроны диффундируют в
полупроводник p - типа. И наоборот: дырки из области p - типа проникают
в область n - типа. На границе раздела полупроводников n - и p - типа
образуется электрическое поле. При освещении фотоэлемента в p -n
переходе происходит образование новых носителей заряда. Электрическое
поле, существующее в p - n переходе, производит разделение этих носителей
заряда. При этом электроны попадают в n - область, а дырки, наоборот, в p
- область. В результате накопления электронов в n - области и дырок в p -
области в p - n переходе возникает дополнительная разность потенциалов –
фото ЭДС.
Для преобразования солнечной энергии в электрическую, питающую
установки космических аппаратов, используют кремниевые фотоэлементы.
(рис. 55). Электронно-дырочный переход в монокристаллической пластине
- 98 -
кремния с электропроводностью p - типа создают диффузией фосфора или
сурьмы. При большой концентрации доноров (фосфор или сурьма) в
поверхностном слое кремния проводимость n - области получается высокой.
Рис. 55. Схематическое изображение фотодиода
Рис. 56. Схематическое изображение донорной примеси в ковалентном полупроводнике
Фотодиод может работать в двух различных режимах: с внешним
источником напряжения и без него. Для измерительных целей обычно
включается внешняя разность потенциалов. Для генерации электрической
энергии используют полупроводниковые устройства без внешней ЭДС,
работающие в так называемом вентильном режиме.
12.5 Давление света
12.5.1 Экспериментальное изучение давления света
Световое давление было обнаружено на опыте и впервые измерено
П.Н.Лебедевым (1900 г.) при помощи опытов, представлявших для своего
времени образец экспериментального искусства.
- 99 -
Прибор Лебедева состоял из легкого подвеса на тонкой нити, по краям
которого были прикреплены тонкие и легкие крылышки, одно из которых
было зачернено, а другое оставлено блестящим. Подвес помещался в
откачанном сосуде, образуя весьма чувствительные крутильные весы. Свет
от лампы концентрировался при помощи системы линз и зеркал на одном из
крылышек и вызывал закручивание подвеса, которое наблюдалось при
помощи зеркальца, прикрепленного к нити.
Измерения Лебедева дали величину, согласующуюся с теорией
Максвелла с точностью до 20%.
12.5.2 Давление света в рамках теории фотонов
Фотон – это элементарная частица, движущаяся в любой среде со
скоростью света и не имеющая массы покоя.
Масса и энергия в теории относительности связаны соотношением:
mc 2 = hν , (87)
hν
но mc = p, pc = hν, p = .
c
Фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой,
импульсом. Выражение (87) связывает корпускулярные характеристики
фотона – массу, энергию – с волновой характеристикой света – его частотой
ν.
Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело,
оказывает на него давление. В рамках фотонной теории световое давление
интерпретируется как результат передачи импульса фотонов поглощающей
или отражающей поверхности.
Если в единицу времени на единицу площади поверхности падает N
фотонов, то при коэффициенте отражения света ρ от поверхности тела
отразится ρN фотонов, а (1 − ρ) N фотонов поглотится. Каждый
- 100 -
Предыдущая
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Следующая
Поставщики ресурсов
Авторам
Контакты
Обратная связь
Вопросы и ответы
spartherm
asus p505