Загрузил Kostya Komless

2.1.9.Фотоэффект.НИБ

Реклама
ЯГМА
Медицинская физика
Лечебный факультет
1 Курс
2 семестр
Лекция № 9
« Фотоэффект »
Составил: Бабенко Н.И..
2011 г.
1.
Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта.
Фотоэффект – группа явлений, связанных с
испусканием электронов
возбужденными атомами вещества за счет энергии поглощенных фотонов. Открыт
немецким ученым Герцем в 1887 году. Экспериментально изучен русским ученым
А.Г. Столетовым (1888 – 1890г.г.).Теоретически объяснен А. Эйнштейном (1905 г.).
Виды фотоэффекта.
1. Внутренний фотоэффект:
а. Изменение проводимости среды под действием света, фоторезистивный эффект,
характерен для полупроводников.
б. Изменение диэлектрической проницаемости среды под действием света,
фотодиэлектрический эффект, характерен для диэлектриков.
в. Возникновение фото ЭДС, фотогальванический эффект, характерен для
неоднородных полупроводников p и n -типа.
1.
Внешний фотоэффект:
Это явление выхода (эмиссии ) электронов из вещества в вакуум за счет энергии
поглощенных фотонов.
Фотоэлектроны – это электроны вырванные из атомов
вещества за счет
фотоэффекта.
Фототок – это электрический ток, образованный упорядоченным движением
фотоэлектронов во внешнем электрическом поле.
Свет (Ф)
ē
К(-)
ē
«К» и «А» - электроды,
помещенные в вакуум
«V» - фиксирует напряжение
между электродами
«G» - фиксирует фототок
«П» - потенциометр для
изменения напряжения
«Ф» - световой поток
А(+)
ē
ē
G
V
П
-
+
Рис. 1. Установка для изучения законов внешнего фотоэффекта.
1
I Закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова).
Сила фототока насыщения ( т. е. количество электронов, испускаемых с
катода в единицу времени ) пропорциональна световому потоку, падающему
на металл ( Рис. 2).
I ф. н .  k  
где k – коэффициент пропорциональности, или чувствительности металла к
фотоэффекту
Рис. 2. Зависимость фототоков насыщения ( I1, I2, I3 ) от интенсивности
световых потоков: Ф1 > Ф2 > Ф3. Частота падающих световых потоков
постоянна.
II закон фотоэффекта (закон Эйнштейна - Ленарда).
Если поменять местами полюса батареи источника ((К(+), А(-)), то между
катодом (К) и анодом (А) возникает электрическое поле, которое тормозит
движение электронов. При некотором запирающем значении обратного
напряжения Uз фототок равен 0 ( Рис. 3 ).
Рис. 3. Зависимость фототоков насыщения для разных частот
падающего света при постоянной интенсивности падающего света.
В этом случае электроны вылетающие с катода, даже с максимальной
скоростью Vmax, не смогут пройти через запирающее поле.
2
2
m Vmax
Uз e
2
Измерив значение запирающего напряжения Uз, можно определить
максимальную кинетическую энергию Ek max выбиваемых излучением электронов.
При изменении интенсивности светового потока Ф, максимальная кинетическая
энергия Ek max не изменяется, но если увеличить частоту электромагнитного
излучения ( сменить видимый свет на ультрафиолетовый), то максимальная
кинетическая энергия Ek max фотоэлектронов увеличится.
Начальная кинетическая энергия фотоэлектрона пропорциональна
частоте падающего излучения и не зависит от его интенсивности.
2
m  Vmax
~ 
2
2
m  Vmax
~ 
2
Ek max
~
hv
где h постоянная Планка, v частота падающего света.
III закон внешнего фотоэффекта (Закон красной границы).
Если последовательно облучать катод различными монохроматическими
излучениями, можно обнаружить, что с увеличением длины волны λ, энергия
фотоэлектронов уменьшается и при некотором значении длины волны λ, внешний
фотоэффект прекращается.
Наибольшее значение длины волны λ ( или наименьшее значение
частоты v ) при которой внешний фотоэффект еще имеет место, называется
красной границей фотоэффекта для данного вещества.
Для серебра λкр = 260нм
Для цезия λкр =>620 нм
3
2.
Уравнение Энштейна и его применение
к трем законам фотоэффекта.
В 1905 году Энштейн дополнил теорию Планка предположив/, что свет,
взаимодействуя с веществом, поглощается такими же элементарными порциями
   
(квантами, фотонами), какими он по теории Планка и испускается.
Фотон – это частица, не обладающая массой покоя (m0 =0), и движущаяся со
скоростью, равной скорости света в вакууме (c=3·108 м/с).
Квант –- порция энергии фотона.
В основе уравнения Эйнштейна для фотоэффекта лежат три постулата:
1. Фотоны взаимодействуют с электронами атома вещества и полностью
поглощаются ими.
2. Один фотон взаимодействует только с одним электроном.
3. Каждый поглощенный фотон освобождает один электрон. При этом энергия
фотона «ħλ» расходуется на работу выхода «ē» с поверхности вещества Авых и на
сообщене ему кинетической энергии
2
m  Vmax
k 
2
ћ·ν = ћ·
c
 =
Aвых
mV 2

2
уравнение Эйнштейна
-
Эта энергия «ħν» -будет максимальной, если электроны отрываются от
поверхности.
Применение уравнения к объяснению трех законов фотоэффекта.
К I закону:
При увеличении интенсивности монохроматичного излучения растет число
поглощенных металлом квантов, поэтому растет и число вылетающих из него
электронов и растет сила фототока:
I
~
Ф

I

k


ф
.
н
.
ф
.
н
.
Ко II закону:
Из уравнения Эйнштейна:
2
m  Vmax
   Авых.
2
, т.е. Еk max фотоэлектрона зависит только от рода металла (Авых.) и от частоты ν(λ)
падающего излучения и не зависит от интенсивности излучения (Ф).
4
К III закону:
если
ħν<Авых – то при любой интенсивности излученя фотоэффекта не будет, т.к. этой
энергии фотона не хватит, чтобы вырвать ē из вещества.
ħν>Авых – фотоэффект наблюдается, так как энергии фотона хватит и на работу
выхода Авых., и на сообщение ē кинетической энергии Ек max.
ħν=Авых – граница фотоэффекта при которой
2
m Vmax
0
2
и энергии фотона хватает только на выход ē с поверхности металла.
В этом случае уравнение Эйнштейна имеет вид:
   Aвых
 min 
Ав ых

- красная граница фотоэффекта
III. Фотогальванический эффект. Устройство и принцип
работы селенового фотоэлемента.
Внутренний фотоэффект – явление при котором электроны, вырвавшись из
атома, становятся свободными, но остаются в самом веществе. Одной из
разновидностей внутреннего фотоэффекта является фотогальванический эффект,
при котором на границе раздела двух сред (металл – полупроводник или
полупроводник – полупроводник) с разными типами проводимости возникает фото
ЭДС, пропорциональная лучистому потоку.
Рассмотрим устройство селенового фотоэлемента ( Рис. 4 ).
лучистая энергия
3
- - - - - - - - - + + + + + + + + + +
2
G
1.Пластмассовая пластинка
2.Слой селена, напыляемый на пластмассу
3.Очень тонкий (прозрачный) слой
металла, напыляемый на селен.
.
1
Рис. 4. Селеновый фотоэлемент
Селеновый фотоэлемент представляет собой круглую или прямоугольную
пластмассовую пластину (1), на которую напыляется слой селена (2). На селеновый
5
слой напыляется очень тонкий прозрачный слой металла (3). Граница раздела
металла и селена называется запирающим слоем, так как он пропускает носителя
зарядов (электроны) только в одном направлении из полупроводника в металл.
При контакте металла и полупроводника ( селен полупроводник n типа )
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).
Тонкий слой металла пропускает фотоны лучистой энергии (видимого света,
инфракрасного, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей) в селен. В
полупроводнике
происходит
внутренний
фотоэффект,
освобожденные
фотоэлектроны переходят из полупроводника в металл.
Если подключить к металлу и полупроводнику измерительный прибор, то
при освещении контактного слоя в цепи возникнет электрический ток, который
называется фототок.
IV. Фоторезистор.
Фоторезистор - это фотоэлектрический прибор на внутреннем фотоэффекте.
Под действием лучистой энергии (видимого света, ультрафиолетового или
инфракрасного излучения, рентгеновских лучей) в веществе освобождаются от
связей в атоме и становятся свободными электроны, которые увеличивают
проводимость вещества. Данный вид фотоэффекта называется фоторезистивным
эффектом.
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.
При отсутствии падающего света фоторезистор диэлектрик. При освещении
фоторезистора за счет внутреннего фотоэффекта происходит увеличение
концентрации электронов в объеме фоторезистора. Резистор становится
проводником
- сопротивление уменьшается пропорционально падающему
световому потоку.
Фоторезисторы используются в медицинских приборах для измерения
гемоглобина в крови, для определения степени насыщения крови кислородом.
V. Применение фотоэлектронных приборов
в медицине (ФЭП).
В медицине наибольшее распространение получили фотоэлектронные умножители
(ФЭУ), электронно - оптические преобразователи (ЭОП), полупроводниковые
фотоэлементы, фотодиоды, фоторезисторы.
6
ФЭУ применяются:
1. В спектроскопических приборах, для спектрального анализа химического состава
вещества.
2. В фотометрических приборах для определения концентрации растворов
3. В счетчиках радиоактивных частиц.
4. Для измерения слабых световых потоков (при биофизических исследованиях для
определения сверхслабой биолюминисценции).
ЭОП применяются:
1. В инфракрасной микроскопии
2. Для изучении люминисцирующих лекарственных веществ в ИК области спектра.
3. В тепловизорах – приборах, позволяющих регистрировать местные повышения
температуры для определения подкожных злокачественных опухолей, расширения
вен, подкожных воспалительных процессов.
4. В рентгеноскопии.
5. Для усиления яркости рентгенографичкеского изображения, что позволяет
уменьшить дозу облучения.
Полупроводниковые фотоэлементы применяются:
1. В счетчиках клеток крови.
2. В измерителях освещенности, цветовой температуры.
3. в различных устройствах автоматики
4. В дозиметрах инфракрасного и ультрафиолетового излучений
7
Скачать