Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Энергия остальных квантов затрачивается на нагревание вещества, поглогцающего свет. Кроме рассмотренного нами в н е ш н е г о фотоэффекта (называемого обычно просто фотоэффектом), существует также внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках. Он заключается в обусловленном действием света перераспределении электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта Ьа превышает ширину запрещенной зоны (см. т. 11, $7!), поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока— электрон и дырка, что проявляется в.
увеличении электропроводности вещества. Если в веществе имеются примеси, под действием света электроны могут переходить 279 из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В первом случае возникает дырочная, во втором — электронная ф о т о и р о в од и м о с т ь. На внутреннем фотоэффекте основано действие так называемых фотосопротивлений. Количество образующихся носителей тока пропорционально падающему световому потоку. Поэтому фотосопротивления применяются для целей фотометрии.
Первым полупроводником, нашедшим применение для этих целей, был селен. В последнее время для видимой части спектра стали широко применяться фотосопротивления из СбВ. Фотосопротивления из полупроводников РЬВ. РЬВе, РЬТе и 1пВЬ используются в каче- Э вЂ” О+ стае детекторов инфракрас- ного излучения; они намного аи превосходят термоэлектриче- ские болометры. Щ г Э В области р — и-перехода (см. т. 11, $ 78) или на грани,о -л-лераааг 1 це металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект.
Он заключается в возникновении под действием света электро- движущей силы (фото-э. д. с.). На рис. 173 показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (пунктирная кривая) в области р — а-перехода (ср. т. П, рис. 173). Неосновные для данной области носители (электроны в р-области и дырки в в-области), возникшие под действием света, проходят через переход.
В результате в р-области накапливается избыточный положительный заряд, в а-области — избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу. Если р- и а-области кристалла подключить к внешней нагрузке, в ией будет течь ток.
При не очень больших освещенностях сила тока пропорциональна падающему на кристалл световому потоку. На этом основано действие фотоэлектрических фотометров, в частности, применяемых в фотографии экспонометров. Несколько 280 десятков соединенных последовательно кремниевых р — п-переходов образуют с о л н е ч н у ю б а т а р е ю, Такие батареи применяются для питания радиоаппаратуры на космических ракетах и спутниках Земли. 5 57. Опыт Боте.
Фотоны Для объяснения распределения энергии в спектре равновесного теплового излучения достаточно, как показал Планк, допустить, что свет только испускается порциями йы. Для объяснения фотоэффекта достаточно предположить, что свет поглощается такими же порциями. Однако Эйнштейн пошел значительно дальше. Он выдвинул гипотезу, что свет и распространяется в виде дискретных частиц, названных первоначально световым н ~ЕЕБ~Я~1 квантами. Впоследствии эти частицы получили назва.
Г ние фотонов. Гипотеза Эйнштейна была подтверждена рядом опытов. Наиболее непосредственное подтверждение дал опы т Б оте. Тонкая металлическая фольга Ф (рис. 174) помешалась между двумя газоразряд- л ными счетчиками Сч (см. т. 11, 5 86). Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновских лучей (это явление называется рентгеновской флуоресценцией). Вследствие малой интенсивности первичного пучка количество квантов, испускаемых фольгой, было невелико. При попадании в него рентгеновских лучей счетчик срабатывал и приводил в действяе особый механизм М, делавший отметку на движущейся ленте Л.
Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно н отметки на ленте приходились бы одна против другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок. Это можно 281 (57.1) где е выражена в электрон-вольтах, а Х вЂ” в аигстремах ').
Длине волны Х = 0,655 ми = 5550 А соответствует энергия фотона и = 2,23 эв. Для рентгеновских лучей (Х 10-' —: 8.10а А) энергия фотона лежит в пределах от 15 эв до 100 Мээ. Согласно теории относительности частица с энергией е обладает массой лг =.е/са (см. (42.9)). Подставив значение е, получим для массы фотона выражение: (57.3) Фотон есть частица, движущаяся со скоростью с. Подстановка в формулу (42,6) значения о = с обращает знаменатель формулы в нуль. Вместе с тем, как мы видели, масса фотона лг конечна. Это возможно только в том случае, если масса покоя лге равна нулю. Таким образом, фотон — особенная частица, существенно отличающаяся от таких частиц, как электрон, протон н нейтрон, которые обладают не равной нулю массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Фотон не имеет массы покоя и может существовать, только двигаясь со скоростью с. Положив в формуле (42.12) лге = О, получим: Е = ср.
Отскща следует, что фотон обладает импульсом: е ага зй Р= с е Х ') Иаменив последние две цифры, можно получить легко,аапоминаюнгуюся форвгулу: 12 З40 в= —. А объяснить лишь тем, что в отдельных актах испускания возникают световые частицы, летящие то в одном, то в другом направлении. Итак, было экспериментально доказано существование особых световых частиц †фотон. Фотон обладает энергией 2нле в=ума = определяемой только его частотой го или длиной волны )ь Подстановка значений й и с приводит к формуле: л 12 390 (57.2) Учтя, что 2п/Х равно волновому числу й, т. е.
модулю волнового вектора я, импульс фотона можно записать в векторном виде: р=Ьй. (57.5) Из наличия у фотона импульса вытекает, что свет, падающий на какое-либо тело, должен оказывать на это тело давление, равное импульсу, сообщаемому фотонами единице поверхности в единицу времрни. Пусть плотность потока фотонов (число фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени) равна У. Если все фотоны поглощаются телом, давление равно Р = РЖ = = (е/с)Л'. При условии, что все фотоны отражаются телом в обратном направлении, давление будет в два раза больше: Р = 2(е/с)Ж.
Наконец. если отражается доля фотонов, равняя х (и — коэффициент отражения), и поглощается доля, равная (1 — х), для давления получится выражение: Р = 2 — ко + —, (1 — и) )У = (1 + я) — Ф. Плотность потока фотонов 1У можно представитьках произведение плотности фотонов п (т. е. количества фотонов в единице объема) на их скорость с, т. е. Ж = пс. Далее, замечая, что произведение пе дает энергию фотонов, заключенных в единице объема„ ю (плотность энергии), можно написать: Р=(1+и)в, что совпадает с выражением для давления, получающимся из электромагнитной теории (см.
т. И, формулу (113.2) ]. Мы рассмотрели ряд явлений, в которых свет ведет себя как поток частиц (фотонов):. Однако не надо забывать, что такие явления, как интерференция и дифракция света, могут быть объяснены только на основе волновых представлений. Таким образом; свет обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм (двойственность): в одних явлениях проявляется его волновая природа и он ведет себя как электромагнитная волив, в других явлениях проявляется корпускулярная природа света и он ведет себн как поток фстонов, В 2 64 мы увидим, что корпускулярно-волновой дуализм где 7 — коэффициент пропорциональности, А — амплитуда световой волны.
Величина гР— =7А Л' (57.7) прнсуш не только световым частицам, но и частицам вещества (электронам, протонам, атомам и т.д.). Выясним„в каком соотношении находятся волновая и корпускулярная картина. Ответ на этот вопрос можно получить, рассмотрев с обеих точек зрения освешенность какой-либо поверхности. Согласно волновым представлениям освещенность в некоторой точке поверхности пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. С корпускулярной точки зрения освещенность пропорциональна плотности потока фотонов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
