Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 103
Текст из файла (страница 103)
В опытах с фокусируемыми лазерными пучками плотность фотонов очень большая, поэтому электрон может поглотить не один, а несколько фотонов. При этом электрон может приобрести энергию, необходимую для выхода из вещества, даже под действием света с частотой, меньшей «красной границыэ — порога однофотонного фотоэффекта. В результате «красная границами смещается в сторону более длинных волн.
Идея Эйнштейна о распространении света в виде патока отдельных фотонов и квантовом характере взаимодействия электромагнитного излучения с веществом подтверждена в !922 г. опытами А. Ф. Иоффе н Н. И. Добронравова. В электрическом поле плоского конденса. тора уравновешивалась заряженная пылинка из висмута. Нижкяя обкладка конденсатора изгатовлялась из тончайшей алюминиевой фольги, которая являлась одновременно анодом миниатюрной рентгеновской трубки.
Анод бомбардировался ускоренными до 12 кВ фотаэлектронами, испускаемыми катодом под действием ультрафиолетового излучения. Освещенность катода подбиралась столь слабой, чтобы нз него в 1 с вырывалось лишь ! 000 фото- электронов, а следовательно, и число рентгеновских импульсов было !000 в ! с. Опыт показал, что в среднем через каждые 30 мин уравновешенная пылинка выходила из равновесия, т.
е. рентгеновское излучение освобождало из нее фотоэлектрон, приобретающий энергию согласно уравнению Эйнштейна (203.1). Если бы рентгеновское излучение распространялось в виде сферических волн, а не отдельных фотонов, та каждый рентгеновский импульс отдавал бы пылинке очень малую часть своей энергии, которая распределялась бы, в свою очередь, между огромным числом электронов, содержащихся в пылинке. Поэтому при таком механизме трудно вообразить, что один из электрогн>в за такое короткое время, как ЗО мин, может накопить энергию, достаточную для преодоления работы выхода из пылинки.
Напротив, с точки зрения корпускулярной теории это возможно. Так, если рснтгеновское излучение распространяется в виде потока дискретных фотонов, то электрон выбивается из пылинки только тогда, когда в нее попадает фотон. Элементарный расчет для выбранных условий дает, что в среднем в пылинку попадает один фотон из 1,8 10". Так как в ! с вылетает !000 фотонов, то в среднем в пылинку будет попадать один фотон в ЗО мин, что согласуется с результатами опыта. Если свет представляет собой поток фотонов, то каждый фотон, попадая в регистрирующий прибор (глаз, фотоэлемент), должен вызывать то или иное действие независимо от других фотонов. Это же означает, что при регистрации слабых световых потоков должны наблюдаться флуктуации их интенсивности.
Эти флуктуации слабых потоков видимого света действительно наблюдались С. И. Вавиловым. Наблюдения проводились визуально. Глаз, адаптированный к темноте, обладает довольно резким порогом зрительного ощущения, т. е. воспринимает свет, интенсивность которого не меньше некоторого порога. Для света с 2=525 нм порог зрительного ощущения соответствует у разных людей примерно 100 — 400 фотонам, падающим на сетчатку за ! с. С. И.
Вавилов наблюдал периодически повторяющиеся вспышки света одинаковой длительности. С уменьшением светового патона некоторые вспышки уже не воспринимались глазом, причем чем слабее был световой поток, тем больше было пропусков вспышек. Это обьясняется флуктуациями интенсивности света, т. е. число фотонов 32» 3 О»т»»» К»»»тп»»»»Пиров»»»л!»с»»» оказывалось по случайным причинам меньше порогового значения. Такнм образом, опыт Вавилова явился наглядным подтверждением квантовых свойств света. 3 204. Применение фотоэффекта На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразкое применение в различных областях науки и техники.
В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающне на основе фотоэффекта и преобразующие энергню излучения в электрическую. Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектам 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 нли сетка, помещаемая в центре баллона.
Фотоэлемент включается в цепь батареи, э. д. с, которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра; для регистрации видимого света н инфракрасного излучения нспользуетсн кислородно-цезневый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света — сурьмяно-цезневый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения.
Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрнческих приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измернтель освещенности) и т. д. Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов (фототок насыщения, приходящийся на 1 лм светового потока) баллон заполняется разреженным инертным газом (Аг нлн Ь)е при давлении»н1,3 —:13 Па). Фототок в таком элементе, называемом газонапол- пенным, усиливается вследствие ударной ионнзацин молекул газа фотоэлектронамн. Интегральная чувствительность газонапол пенных фотоэлементов ( яз 1 мА/лм) гораздо выше, чем для вакуумных (20— 150 мкА/лм), но они обладают по сравнению с последними большей инерционностью (менее строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения), что приводит к ограничению области их применения.
Для усиления фототека применяются уже рассмотренные выше (см. рис. 155) фотоэлектронные умножнтелн, в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии (см. $105). Размеры фотоэлектронных умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет «н10' (при напряжения питания 1 — 1,5 кВ), а нх интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умно- жители начинают вытеснять фотоэлементы, правда, нх применение связано с использованием высоковольтных стабилизированных источников питання, что несколько неудобно, Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые пплупроводннковымн фотоэлементамн илн фотосопротнвленнямн (фоторезнсторамн), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные.
Для нх изготовления используются РЬ5, Сд5, РЬ5е н некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов н фотоэлек. тронных умножителей имеют «красную границу» фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивленнй позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра (3 —:4 мкм), а также в областях рентгеновского н гамма-излучений. Кроме того, онн малогабарнтны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротнвлений — нх заметная инерционность, поэтому онн непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков. Фотоэлементы с вентнльиым фотоэффектом, называемые вентнльнымн фотоэлементами (фотоэлементами с звпнраю- 1 л а е а 26 Квантовьч природа излучения щим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучении, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2 — ЗО мд/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э.
д. с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-серебряные и др. Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на советских космических спутниках и кораблях. К. п. д. этих батарей составляет як 10 % и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до ж22%, что открывает широкие перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд.
Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в производстве длн контроля, управления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в различных системах связи и т. д. й 205. Масса и импульс фотона. Давление света Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами.
Энергия фотона ез=йт. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии (см. (40.8)): лг =Лч/с~. (205.1) Фотон — элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Импульс фотона р, получим, если в обшей формуле (40.7) теории относительности положим массу покоя фотона т, =0: рт = ео/с = йч/с. (205.2) Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом.
Выражения (205.1), (205.2) и (200.2) связывают корпугкуллрные характеристики фотона — массу, импульс и энергию — с волновой характеристикой света — его частотой т. Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. С точки зрения квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс, Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического излучения (частота ч), падающего перпендикулярно поверхности. Если а единицу времени на единицу площади поверхности тела падает )т' фотонов, то при коэффициенте отражения р света от поверхности тела рй! фотонов отразится, а (1 — р)й! — поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс рт=йч/с, а каждый отраженный —- 2р,=2йч/с (при отражении импульс фотона изменяется на — р.,). Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с й! фотонов; 2йч йч йт р= — рй!+ — (! — р) й! =(! + р) — )(!.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
