Вивчення електромагнітного випромінювання призвело до відкриття фотоефекту. Це послужило поштовхом до створення ряду електронних приладів, що знайшли широке застосування в різних галузях виробництва.
Були створені вакуумні і напівпровідникові елементи, використовувані для автоматизації процесів і реєстрації сигналів. Найбільш яскравий приклад – перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію.
Відкриття ефекту
Відкриття фотоефекту дозволило краще зрозуміти природу світла. Передумовами для розуміння світлових процесів стала корпускулярна теорія світла, висунута Ісааком Ньютоном. Він зробив припущення, що світло являє собою електромагнітне випромінювання, що складається з корпускул — елементарних частинок. Теорія пояснювала здатність світлового променя відбиватися і заломлюватися.
У першій половині XIX століття вчений з Англії провів ряд експериментів з монохроматичним пучком, встановивши хвильові властивості світла. Це послужило фундаментом для формулювання теорії магнетизму Джеймсом Максвеллом. У своїх роботах він об’єднав явища магнітного і електричного характеру.
Другий розряд був настільки слабким, що для його вивчення Герц почав проводити експерименти в темній кімнаті. У підсумку ним було виявлено незрозумілий для нього ефект: іскра в темряві була слабкіша, ніж при додатковому освітленні.
Розібратися в суті ефекту стало можливим лише в 1905 році. Німецький фізик Альберт Енштейн, ґрунтуючись на ідеях Макса Планка і Столєтова, опублікував статтю під назвою «Про евристичний аналіз зору, що стосується виникнення і перетворення світла», в якій дав вичерпне пояснення явищу і вивів рівняння фотоефекту.
Загальноприйняті положення, що описують фотоелектричний ефект, полягають в наступному:
- інтенсивність світла і викликаний фотоефект пов’язані прямою пропорційністю;
- якщо частота потоку нижче певного порогового значення, то ефект не спостерігається (червона межа);
- кінетична енергія звільненого електрона, вибитого фотоном, залежить від частоти світла;
- при впливі додаткового джерела випромінювання ефект посилюється.
Іншими словами, при поглинанні речовиною електромагнітного випромінювання в тілі виникають вільні носії заряду.
Поняття і властивості фотона
Невід’ємною частиною ефекту є фотон. Це матеріальна частка, що поширюється у вигляді електромагнітного випромінювання. Її кінетична енергія описується рівнянням:
E =mc²
де:
- m – маса фотона;
- c – швидкість світла.
Імпульс кванта збігається з напрямком світлового потоку і дорівнює добутку маси на швидкість. Відкрити існування імпульсу стало можливим лише після вивчення світлового тиску (сила впливу електромагнітного випромінювання). За імпульс фотона була прийнята частка, здатна існувати і мати масу, переміщаючись тільки зі швидкістю світла.
Рівняння Ейнштейна
Під променистою енергією розуміють електромагнітне випромінювання в широкому діапазоні частот. Кожен фотон несе певну енергію, яку він може передати частинці при зіткненні, зокрема, електронам.
При ударі носії миттєво набувають кінетичну енергію. Припущення Планка про здатність тіла випромінювати частину поглиненої енергії і поширювати її квантами одиничної енергії було описано рівнянням
E = hv
де:
- Е – енергія, що переноситься одиничним квантом;
- h – постійна Планка, розрахована експериментально і рівна 6,626 x 10⁻³⁴ Дж * с ;
- v – частота випромінювання, що визначається відношенням швидкості світла до довжини хвилі.
Ейнштейн, ґрунтуючись на ідеї Планка, довів, що світло являє собою дискретні пучки енергії, названі ним згодом фотонами. При цьому вони володіють дуалізмом. Крім поширення подібно хвилям, при зіткненні з електронами фотон поводиться як частинка, що вибиває його з кристалічної решітки.
На підставі цих припущень фізик змінив рівняння до виду:
E = hv — φ
де
- φ позначає мінімальну енергію, необхідну для вибивання електрона з атома.
Максимальна ж кінетична енергія фотоелектрона визначається відношенням (mu²)/2. При вильоті електрона енергія частинки зменшується на певне значення — роботу виходу (Авих).
Тобто – це енергія, яка витрачається для емісії електрона. Тому формулу Планка можна переписати як:
hv = Авих +(m * u²)/2
Цей вираз і отримав назву рівняння Ейнштейна.
Якщо до тіла прикласти напругу зворотної полярності, що перешкоджає вильоту електронів, то робота виходу збільшиться, оскільки частинкам доведеться долати ще й силу електричного струму.
Найбільша ж кінетична енергія виражається формулою:
Емах = e * U
де
- U – затривувана напруга;
- e — елементарний заряд.
Найменшу енергію назвали червоним кордоном. Згідно з визначенням ефекту, вона залежить лише від роботи виходу.
При довжинах, розташованих біля червоного кордону, фотоефект не виникає.
Види фотоефекту
Використання формули Ейнштейна для фотоефекту дозволило розрахувати і створити різні фотоелектричні прилади – іншими словами, пристрої, здатні перетворювати світло. Формула вченого дала можливість пояснити зовнішній фотоефект – випускання елементарної частинки з поверхні речовини при впливі світла.
Явище спостерігається не тільки у твердих тілах, наприклад, металах, але і в газах (фотоіонізація) на певних молекулах. На цьому ефекті побудована робота:
- електровакуумних приладів;
- електронних і газорозрядних елементів;
- фотоелектронних помножувачів.
Крім зовнішнього фотоефекту, існує ще три його види:
- Внутрішній – спостережуваний в діелектриках або напівпровідниках при впливі на них електромагнітних випромінювань, що не призводять до виходу електронів назовні. В результаті концентрація вільних носіїв збільшується, підвищується електропровідність або виникає електрорушійна сила (ЕРС).
- Вентильний – характеризується виникненням ЕРС при попаданні світла на кордон контакту двох різних матеріалів, наприклад, напівпровідників або металу і напівпровідника. Енергія світла перетворюється в електрику. Використовується в основі побудови сонячних батарей.
- Багатофотонний – виникає при великій інтенсивності світла, наприклад, впливі лазера. При цьому електрон може поглинути енергію не від одного фотона, а відразу від декількох.
Вольт-амперна характеристика
Залежність струму від напруги, мабуть, найважливіша характеристика для будь-якого радіоелемента. Не виняток і пристрої, що працюють на фотоефекті. На графіку зображується зміна струму насичення від замикаючої напруги. Тобто, дивлячись на нього, можна легко простежити, як буде рости напруга при збільшенні фотоефекту.
У певний момент настає такий стан, що струм стає постійним, попри збільшення напруги. Точка переходу характеристики в пологий стан називається фотоефектом насичення.
Значення цієї точки визначається такою напругою, при якій всі електрони, вибиті зі своїх місць, досягають анода. Ця умова записується у вигляді виразу:
Інас = e * n,
де
- за n прийнято число частинок, вибитих з катода за одиницю часу (одну секунду).
Вивчаючи характеристику, можна відзначити, що якщо напруга починає падати і в якийсь момент стає рівна нулю, то фотоефект все одно не зникає. Значить, електрони, що вилетіли, мають початкову швидкість і можуть досягти другого електрода навіть без зовнішнього впливу.
Водночас, якщо докласти зворотну напругу (затримуючу), фотоефект не з’явиться. Тому електрон, який отримав навіть найбільшу швидкість, не зможе досягти анода.
Використовуючи рівняння Ейнштейна для фотоефекту, можна буде записати рівняння:
m * v²/2 = e*U₀,
де:
- U₀ — затримуюча напруга.
Виходячи з цього можна сформулювати другий закон: на затримуючу напругу не впливає величина освітлення, але потенціал залежить від частоти світлового потоку, при збільшенні якого він зростає.
Корисність цього відкриття буде полягати в тому, що, знаючи затримуючу напругу, можна визначити максимальну швидкість кінетичної енергії вибитих електронів.
Тобто у квантовій теорії фотоефекту проглядається ряд залежностей:
- фотоефект визначається інтенсивністю;
- замикаюча напруга залежить від кінетичної енергії випромінюваних частинок;
- величина енергії пов’язана з частотою світла.
Застосування фотоефекту
На фотоефекті заснована дія фотоприладів, які отримали різноманітне використання в науці і техніці. Найпершим пристроєм був вакуумний фотоелемент. Це скляний балон з відкачаним повітрям, покритий шаром фоточутливого елемента, крім невеликої ділянки.
У центрі балона знаходиться сітка, що є анодом. При попаданні світла на вільну від фотоелемента ділянку виникає ЕРС. Залежно від виду реєстрованого світла катод виготовляється з різних матеріалів. Так для:
- інфрачервоного випромінювання використовується киснево-цезієвий катод;
- ультрафіолетового — сурм’яно-цезієвий.
З їх допомогою можна не тільки фіксувати виникнення випромінювання, але і вимірювати освітленість. Для збільшення чутливості балон наповнюється інертним газом. Такі пристрої називають газорозрядними фотоелементами.
Щоб реєструвати слабкий струм, застосовують фотоелектронні помножувачі, що використовують вторинну емісію електронів. Елементи з внутрішнім фотоефектом називаються фоторезистори. Вони більш чутливі, ніж газорозрядні. При виготовленні застосовуються різні напівпровідники, такі як РЬЅ, CdS, PbSе.
Їх використання дозволяє реєструвати випромінювання навіть в далекій інфрачервоній області і рентгенівського випромінювання. Фоторезистори виготовляються невеликих розмірів, але мають інерційністю. Тому реєструвати швидкозмінне світло вони не можуть.
Вентильні фотоелементи, що працюють на однойменному ефекті, використовуються при:
- побудові сонячних батарей;
- джерел живлення малої потужності.
Вони безпосередньо перетворюють світлову енергію в струм, а виготовляють їх з:
- германію;
- кремнію;
- селену.
Працювати він може як з підключенням додаткового джерела живлення, так і без нього. Принцип дії елемента заснований на лавинному пробої, що виникає за рахунок іонізації носіїв заряду.
Фотоопір застосовується в охоронних і телевізійних системах, радіомовленні. На ефекті заснована робота електронно-оптичного перетворювача, що підсилює рентгенівське зображення. У радіоелектроніці елементи використовуються в зворотних зв’язках і при створенні гальванічної розв’язки.
