2.12.Фотоэффект.ПФ. 2.12.Фотоэффект. Лекция Элементы квантовой оптики. Физика фотоэффекта Составил Колпаков В. А. 2004 г

Скачать 168 Kb. Название Лекция Элементы квантовой оптики. Физика фотоэффекта Составил Колпаков В. А. 2004 г Анкор 2.12.Фотоэффект.ПФ.doc Дата 15.01.2018 Размер 168 Kb. Формат файла Имя файла 2.12.Фотоэффект.ПФ.doc Тип Лекция #15066

ЯГМА Медицинская физика Педиатрический факультет 1 курс 2 семестр Лекция № «Элементы квантовой оптики. Физика фотоэффекта» Составил: Колпаков В.А. 2004 г. I. Фотоэффект и его виды. Основные законы внешнего фотоэффекта. Фотоэффект представляет собой одну из разновидностей фотоэлектрических явлений. Фотоэлектрические явления - это явления взаимного превращения лучистой и электрической энергии в фотоэлектрической цепи. Физически фотоэффект представляет собой процесс полного или частичного освобождения заряженных частиц в веществе при поглощении им лучистой энергии (фотонов). B результате наблюдается: • Изменение электропроводности вещества; • Эмиссия электронов из вещества; • Возникновение фотоэлектродвижущей силы на границе веществ с разным типом проводимости. Виды фотоэффекта: 1. Внешний фотоэффект. Внутренний фотоэффект изменения проводимости (положительный и отрицательный). 2. Внутренний фотогальванический фотоэффект (вентильный фотоэффект, фотоэффект в запирающем слое). 3. Фотопьезоэффект. 4. Фотодиэлектрический эффект. 5. Фотоэлектромагнитный эффект. В медицинской аппаратуре чаще всего используется внешний внутренний эффект изменения проводимости и фотоэффект в запирающем слое. Внешний фотоэффект - это явление (процесс) эмиссии электронов из вещества в вакуум или другое вещество под действием электромагнитного излучения. Внутренний фотоэффект изменения проводимости - это изменение электрического сопротивления полупроводника при поглощении им электромагнитного излучения (фотонов). Фотогальванический (вентильный) эффект - это явление возникновения фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) на границе раздела полупроводников или других носителей электрических зарядов электрическим полем. Законы внешнего фотоэффекта и их характеристика. Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году ученым Герцем, исследован в 1888-89г русским физиком Столетовым, и на основе квантовых представлений объяснен в 1905 году Эйнштейном. Законов фотоэффекта три: 1. Закон Столетова. 2. Закон Эйнштейна-Ленарда. 3. Закон «красной границы» фотоэффекта. Закон Столетова имеет теоретическую и техническую формулировку. Теоретическая формулировка: Количество испускаемых электронов пропорционально плотности падающего на вещество лучистого потока (облученности) при его неизменном спектральном составе. Техническая формулировка ('справедлива только для вакуумных фотоэлектронных приборов, например, вакуумных фотоэлементов) Фототок насыщения прямо пропорционален лучистому потоку и равен ему при введении коэффициента, который называется коэффициент интегральной чувствительности (к источнику типа А). Формула закона: IнФ = к*Ф Где IН - фототек насыщения вакуумного фотоэлемента (мкА) Ф - лучистый поток (Вт, Лм) к - коэффициент интегральной чувствительности, мкА/Вт, мкА/Лм Для выполнения закона нужно, чтобы спектральный состав падающего лучистого потока был неизменным, напряжение на фотоэлементе должно быть постоянным. При больших лучистых потоках закон не соблюдается. Закон Эйнштейна - Ленарда Устанавливает зависимость между энергиями падающих фотонов и испускаемых веществом фотоэлектронов. Закон Эйнштейна представляет собой частный случай закона сохранения энергии. Формулировка закона: Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает прямо пропорционально с частотой падающего фотоэлектрически активного лучистого потока и не зависит от его интенсивности. Формула закона: (mэVэ2/2)max hv В формуле mэ - масса фотоэлектрона Vэ - скорость фотоэлектрона h - постоянная Планка υ - частота излучения hυ - энергия фотонов лучистого потока Закон «красной границы» фотоэффекта Устанавливает условия возможности фотоэффекта для данного вещества в зависимости от работы выхода электронов из данного вещества и энергии падающих на вещество фотонов лучистого потока. Формулировка: Для каждого вещества в спектре падающего лучистого потока существует такая длина волны, за пределами которой фотоэффект не происходит. Эта длина волны λ0, и соответствующая ей частота υ0 называются длинноволновой или «красной» границей фотоэффекта. Физически наличие красной границы фотоэффекта объясняется тем, что каждое вещество имеет определенное значение работы выхода фотоэлектронов Авых. Каждому фотону падающего на вещество лучистого потока соответствует своя энергия hυ, частота υ и длина волны λ. Если работа выхода электронов из вещества меньше энергии падающих фотонов, то фотоэффекта не будет. Если эта энергия больше, то фотоэффект осуществим, причем избыток энергии тратится на кинетическую энергию фотоэлектронов. Если работа выхода фотоэлектронов равна энергии падающих фотонов, фотоэффект осуществится, но с нулевой кинетической энергией выбитых фотоэлектронов. Данному соотношению работы выхода и энергии фотона и соответствует — «красная граница» фотоэффекта по частоте υ0 и длине волны λ0. Авых = hυ0 = hc/ λ0 ; υ0 = Авых / h ; λ0 - hc / Авых Например, для калия Авых = 2,01 - 1,74 электрон-Вольта, что соответствует по длине волны "красной границе" λ0 612 - 710 нанометров (нм). П. Уравнение Эйнштейна и его применение для объяснения законов фотоэффекта. Закон Эйнштейна на основе квантовых представлений объясняет законы фотоэффекта, и является частным случаем закона сохранения энергии для фотоэлектрических явлений. В своих теоретических построениях Эйнштейн исходил из наблюдения Ленарда, Томсона и Милликена (1899 - 1900 гг) о зависимости энергии фотоэлектронов от частоты (но не интенсивности) падающего лучистого потока, и гипотезы Планка (1900г) о квантовой природе излучения энергии веществом. Эйнштейн ввел понятие фотона и дополнил учение Планка тем, что ввел постулат о квантовой природе не только излучения энергии, но и ее распространения и поглощения веществом. В основе постулата Эйнштейна три положения: 1. При взаимодействии с электронами вещества падающие фотоны полностью поглощаются. 2. Один фотон взаимодействует только с одним электроном. 3. Один поглощенный фотон может выбросить только один фотоэлектрон с некоторой кинетической энергией. Формулировка закона Эйнштейна: При фотоэффекте энергия фотона расходуется на работы выхода электрона из вещества и на его кинетическую энергию, которая будет максимальной тогда, когда электрон испускает с поверхности вещества. Объяснение законов фотоэффекта на основе уравнения Эйнштейна Объяснение закона Столетова: С квантовых позиций лучистый поток определяется количеством фотонов, падающих за единицу времени на поверхность вещества. Фототок насыщения определяется количеством испускаемых в единицу времени фотоэлектронов. Поэтому, в соответствии с постулатом Эйнштейна, чем больше лучистый фотонный поток, тем большим будет фотоэлектронный ток. Объяснение закона Эйнштейна: Энергия падающих фотонов лучистого потока определяется его частотой. Так как работа выхода фотоэлектронов для данного вещества постоянна, то с увеличением энергии фотонов большая ее часть тратится на кинетическую энергию выбиваемых электронов. Объяснение закона «красной границы»: С уменьшением частоты падающего лучистого потока уменьшается энергия фотонов. Когда энергия фотона будет равна работе выхода фотоэлектронов из данного вещества, они останутся на поверхности этого вещества с «нулевой» кинетической энергией. При дальнейшем уменьшении энергии фотонов фотоэффекта не будет, так как энергии фотона будет недостаточно для совершения работы выхода фотоэлектрона из данного вещества (υф< υmin). III. Фотоэффект в запирающем слое. Устройство, принцип работы, особенности селенового фотоэлемента. Фотоэффект в запирающем слое является разновидностью внутреннего фотоэффекта. Он заключается в возникновении фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) между металлом и полупроводником или между полупроводниками разных типов проводимости. Механизм вентельного фотоэффекта: Возьмем металл и полупроводник «n» - типа при условии, что работы выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла. авых полупр < авых мет При соприкосновении металла и полупроводника произойдет диффузия электронов из полупроводника в металл через границу контакта и приконтактный участок полупроводника вследствие убыли электронов зарядится положительно по отношению к металлу, то есть возникнет контактная разность потенциалов (КПР). Под действием лучистой энергии (видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей) электроны полупроводника получат дополнительную энергию, их подвижность увеличится и, поэтому, КПР возрастает. Изменение КПР происходит пропорционально облученности контактного слоя и называется фотоэлектродвижущей силой (фотоЭДС). ____________ - металл + + + + + ++ - полупроводник Если подключить к металлу и полупроводнику измерительный прибор, то при освещении контактного слоя в цепи возникнет электрический ток, который называется фототек. Фотоэффект в запирающем слое лежит в основе работы селеновых фотоэлементов и солнечных батарей. Устройство, принцип работы и особенности селенового элемента. Селеновый элемент представляет собой круглую или прямоугольную пластмассовую пластину (1), на которую напыляется слой селена (2). На селеновый слой напыляется очень тонкий, а поэтому прозрачный слой металла (3). Граница раздела металла и селена называется запирающим слоем, так как он пропускает носителя зарядов (электроны) только в одном направлении. Так как работа выхода электронов из селена меньше, чем из металла, электроны из селена переходят в металл. При этом селен заряжается положительно по отношению к металлу, то есть образуется контактная разность потенциалов. При освещении контактного слоя электроны селена приобретают дополнительную энергию, и в большем количестве перемещаются в металл. Контактная разность потенциалов, а, следовательно, и электродвижущая сила возрастают, и образуют при замыкании цепи между металлом и селеном электрический фототек. Особенности селенового элемента: 1. Селеновый элемент является генератором фотоЭДС и тока, и поэтому не требует источников питания. 2. Зависимость фототока селенового элемента от его облученности линейная, что очень удобно для измерительных цепей. 3. Кривая спектральной чувствительности селенового элемента практически совпадает с кривой спектральной чувствительности глаза человека для дневного зрения и поэтому селеновый элемент реагирует на свет так же, как человеческий глаз. По этой причине селеновый элемент широко используется в качестве датчиков измерительных приборов, регистрирующих уровни яркости и освещенности в гигиене, светотехнике и фотографии (люксметры, экспонометры). IV. Фоторезистор, его устройство, принцип работы и основные характеристики. Фоторезистор - это фотоэлектрический прибор, который для работы использует внутренний фотоэффект изменения проводимости вещества. Фотоэффект изменения проводимости вещества состоит в том, что под действием лучистой энергии (видимого света, ультрафиолетового или инфракрасного излучения, рентгеновских лучей) в нем освобождаются от связей в атоме и становятся свободными электроны, которые увеличивают проводимость вещества. Данный вид фотоэффекта называется также фоторезистивным эффектом. Пи этом значение фототока проводимости в зависимости от изменения лучистого потока будет нелинейным и соответствует формуле: I = кФn Где I - значение фототока (мкА) к - коэффициент интегральной чувствительности (мкА/Вт, мкА/Лм) Ф - лучистый (Вт) или световой (Лм) поток n - константа, равная примерно 0,5. Устройство фоторезистора: Фоторезистор представляет собой пластмассовую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового вещества (сернистые или селенистые соединения свинца, висмута или калия) С обоих сторон полупроводникового слоя делаются выводы для подключения резистора в электрическую цепь, а сам слой для защиты от влаги и механических воздействий покрывается прозрачным лаком или герметизируется в стеклянно-металлический корпус. Принцип работы фоторезистора: При подключении неосвещенного фоторезистора в электрическую цепь через него будет проходить некоторый ток, который называется темновым током. При освещении фоторезистора количество свободных электронов в нем возрастает и ток увеличивается. Это соответствует увеличению проводимости и уменьшению сопротивления фоторезистора. Значение тока фоторезистора зависит от освещенности и напряжения на его электродах. Основные характеристики фоторезистора: 1. Темновое сопротивление (сопротивление неосвещенного фоторезистора) 2. Кратность изменения сопротивления (отношение сопротивления фоторезистора в темноте и на свету). 3. Спектральная. 4. Удельная чувствительность фоторезистора — току, прошедшему через резистор, отнесенному к единице лучистого потока и единице приложенного напряжения. K = I/Ф*U Где К — удельная чувствительность фоторезистора I — ток фоторезистора Ф — лучевой поток U — напряжение на фоторезисторе 5. Напряжение питания фоторезистора. 6. Вольтамперная характеристика — зависимость тока фоторезистора от напряжения на нем при постоянном лучистом и световом потоке (характеристика линейная). 7. Световая - это зависимость тока от лучистого потока при постоянном напряжении (характеристика нелинейная). Фоторезисторы ультрафиолетового, инфракрасного, видимого и рентгеновского излучения используются в приборах для измерения гемоглобина в крови, для определения степени насыщения крови кислородом.