§ 4 Внутрішній фотоефект. фотоелементи
Внутрішній фотоефект - перерозподіл електронів по енергетичним рівням в діелектриках я напівпровідниках (але не в металах) під дією світла. Якщо енергія кванта hv падаючого світла перевищує ширину забороненої зони в діелектрику або напівпровіднику, то електрон, що поглинув квант, переходить з валентної зони в зону провідності. В результаті цього переходу утворюється пара носіїв: в зоні провідності електрон, а у валентній зоні - дірка. Таким чином, в зоні провідності з'являються носії заряду, і при включенні напівпровідника в ланцюг по ній буде протікати струм або при додатку зовнішнього електричного поля буде протікати струм, що змінюється в залежності від освітленості.
Внутрішній фотоефект призводить:
- До зміни концентрації носіїв в зоні провідності (тобто зміни провідності);
- Виникненню фото ЕРС.
На використанні внутрішнього фотоефекту заснована дія фотоелементів - пристроїв, що перетворюють світлову енергію в електричну, або змінюють свої властивості під дією падаючого світла.
Ті, що змінюють властивості працюють ка внутрішньому фотоефекті: фотосопротивления (ФС), фотодіоди (ФД), фототранзистори (ФТ), фоторезистори, фотомікросхеми. Оптоелектронна пара - в одному корпусі укладені джерело світла і фотоприймач - використовуються для гальванічної розв'язки ланцюгів.
Пристрої, що перетворюють світлову енергію в електричну, використовують вентильний фотоефект (різновид внутрішнього фотоефекту) - виникнення фото ЕРС на p - n перехід або на кордоні металу з напівпровідниками. Пристрої на вентильному фотоефекті використовуються у фотоапаратах, в сонячних батареях, в калькуляторах, на супутниках, в деяких будинках. Фотоелементи використовуються також в фотометрії, спектрометрії, в астрофізиці, біології і т.д.
Маса і імпульс фотона. тиск світла
- Фотон - це квант світла. Відповідно до гіпотези світлових квантів Ейнштейна, випускання, поглинання і поширення світла відбувається дискретними порціями (квантами), названими фотонами (фото - світло). Енергія фотона:
Ейнштейн отримав формулу, яка б пов'язала масу і енергію. Формула Ейнштейна:
Для фотона Е = Е0. отже. Звідси маса фотона:
Фотон відрізняється від макроскопічних тіл і елементарних частинок тим, що він є елементарною частинкою світла, яка в будь-якому середовищі рухається зі швидкістю світла і не має маси спокою m0фотона = 0.Масса спокою - це маса, якою володіє частка при V = 0, т. о. покояться фотонів не існує. Якщо світло зупинити, то це означає, що енергія світла поглине речовиною і світла не буде. Масу фотона слід вважати польовий масою, це означає, що світло має масу пов'язаної з елементарним полем світлової хвилі. Фотон має енергію, але будь-якої енергія відповідає маса (це випливає з). Якщо розуміти під Е енергію електромагнітного поля, то під m слід розуміти масу електромагнітного поля світлової хвилі, таким чином поле, як і речовина, має енергію і масу. Поле - одна з форм існування матерії. Наявність у поля енергії і маси є доказом матеріальності електромагнітного поля.
- Крім енергії і маси, фотон володіє імпульсом Р. У загальній теорії відносності отримана зв'язок між енергією і імпульсом:
де с = 3 × 10 8 м / с,
Зі сказаного вище випливає, що фотон, як і будь-яка інша частка, має енергію, імпульсом і масою. Ці корпускулярні характеристики фотона пов'язані з хвильової характеристикою світла - частотою:
Експериментальним доказом наявності у фотона імпульсу є світлове тиск. Випромінювання, що падає на поверхню тіла, чинить на нього тиск. Вектор в олни призводить в впорядкований рух елементарні заряди в речовині, а магнітне поле діє на ці заряди з силою Лоренца. Ця сила виявляється спрямованої в бік поширення випромінювання. Рівнодіюча всіх цих сил сприймається як тиск, який чиниться випромінюванням на тіло. Це пояснення тиску з хвильової точки зору. З точки зору квантової теорії тиск світла на поверхню обумовлено тим, що кожен фотон при зіткненні з поверхнею передає їй свій імпульс.
Нехай світло падає на нормалі до поверхні. Якщо в одиницю часу (t = 1с) на одиницю площі (S = 1 м2) поверхні тіла задає N фотонів, то при коефіцієнті відображення
світла від поверхні ρ - N фотонів відіб'ється, а (1 - ρ) N - поглине. Кожен фотон, поглинений поверхнею, передасть їй імпульс
а кожен відбитий
Тиск світла на поверхню одно імпульсу, який передають поверхні в 1 з N фотонів:
де - енергетична освітленість - енергія всіх фотонів, що падає на одиницю поверхні в одиницю часу,, - об'ємна щільність енергії.
Тиск світла при нормальному падінні
Тиск світла, якщо світло падає під кутом і.
Число фотонів в одиниці об'єму (концентрація фотонів):
Число фотонів, що падають в одиницю часу на одиницю площі:
Ще одним ефектом, в якому проявляються корпускулярні властивості світла, є ефект А. Комптона (1923 р), що полягає в зміні довжини хвилі, розсіяного легкими атомами (парафін, графіт, бор) рентгенівського випромінювання.
- комптонівська довжина хвилі, визначається масою досліджуваного речовини.
Пояснення ефекту Комптона дано на основі квантових уявлень про природу світла.
У легких атомах електрони слабо пов'язані з ядрами, тому електрони можна вважати вільним. Тоді ефект Комптона - результат пружного зіткнення рентгенівських фотонів з вільними електронами. Для пружного зіткнення виконується закон збереження енергії і закон збереження імпульсу.
Закон збереження енергії для ефекту Комптона (енергія системи до взаємодії дорівнює енергія системи після взаємодії)
де hν - енергія падаючого фотона,
hν '- енергія розсіяного фотона,
Закон збереження імпульсу для ефекту Комптона:
- імпульс падаючого фотона;
р '- імпульс електрона віддачі;
- імпульс розсіяного фотона.
Маса релятивістської частинки
Зведемо в квадрат і врахуємо, що
Порівнюючи (3) і (4) отримаємо:
Помножимо на і отримаємо
Корпускулярно-хвильова подвійність властивостей світла
У таких дослідах як інтерференція, дифракція, поляризація, дисперсія проявляються хвильові властивості світла і для опису світла використовуються хвильові характеристика: λ, ν. У ефекти квантової оптики: теплове випромінювання, фотоефект, фотохімічні дію світла, тиск світла, ефект Комптона, світло проявляє себе як частка і для його опису використовуються корпускулярні характеристики: маса, імпульс. Розвиток оптики, вся сукупність оптичних явищ показали, що властивості безперервності, характерні для електромагнітного поля світлової хвилі не слід протиставляти властивостями дискретності, характерним для фотонів. Світло має складні корпускулярно-хвильові властивості: має одночасно і хвильовими і квантовими властивостями - корпускулярно-хвильова дуалізм (подвійність) властивостей світла.
Зв'язок корпускулярних і хвильових властивостей світла відображають формули для енергії, імпульсу, маси фотона:
Хвильові властивості відіграють певну роль в закономірностях поширення світла, інтерференції, дифракції, поляризації, а корпускулярні в процесах взаємодії світла з речовиною. Чим більше λ (менше ν), тим менше р і Е фотона і тим важче виявити квантові властивості світла (наприклад, фотоефект відбувається тільки при hv> Aвиx). Чим менше λ (більше ν), тим важче виявити хвильові властивості світла. Наприклад, рентгенівські промені λ
10 -10 м діфрагіруют тільки на кристалічній решітці Твердого тіла.
Взаємозв'язок між хвильовими і корпускулярним властивостями світла пояснюють за допомогою статичних методів.
Хвильові властивості притаманні не тільки великий сукупності фотонів, а й кожному фотону окремо.