3. Применение фотоэффекта

3.1. Фотоэлементы  приемники излучения, преобразующие энергию излучения в электрическую энергию.

• 

  Рис. 4. Полупроводниковый фотодатчик для измерения интенсивности фотовспышки

  Вакуумный фотоэлемент (интегральная чувствительность 20 … 150 мкА/Лм):

- с кислородно-цезиевым катодом для видимого и инфракрасного излучения;

- с сурьмяно-цезиевым катодом для ультра­фи­оле­то­вого излучения.

Используется в экспонометрах, люкс­мет­рах, микрокалькуляторах, фотореле и т.д.

• Газонаполненный фотоэлемент (ин­тег­раль­ная чувствительность 1 мА/Лм), баллон заполняется разряженным инертным газом при давлении 1,3…13 Па. Фототок усиливается из-за ударной ионизации газа.

3.2. Фотоэлектронные умножители применяются для усиления фототока (до 10⁷ раз).

3.3. Фотосопротивления (фоторезисторы)  фото­эле­мен­ты с внутренним фото­эффектом.

3.4. Вентильные фото­эле­менты (фотоэлементы с запирающим слоем), в них происходит непосредственное преобразование световой энергии в электрическую энергию. Они имеют большую интегральную чувствительность 2…30 мА/Лм. Используются в солнечных батареях, КПД до 22%.

Батарея вентильных фотоэлементов, пре­о­бразующих солнечный свет в электрический ток, называется солнечной батареей. Сол­неч­ные батареи пи­тают радиоаппаратуру косми­чес­ких кораблей и искусственных спутни­ков Земли.

Рис. 8. Солнечная батарея спутника

Рис.7. Зеркало установки

по запасанию солнечной энергии

Рис. 9. Дом с крышей из солнечных батарей

4. Масса и импульс фотона. Давление света

Одним из экспериментальных подтверждений наличия у фотонов массы и импульса является существование светового давления. Мысль о том, что свет при встрече с телами должен оказывать на них давление, была высказана ещё немецким астрономом И.Кеплером в XVII веке.

Согласно кван­товым гипотезам Планка и Эйнштейна свет испускается, распростра­няется и поглощается дискретными порциями – квантами. Свет представляет собой поток отдельных частиц  фотонов.

До сих пор при объяснении квантовых оптических явлений ис­пользовалась одна характеристика фотона  его энергия: ε_ф = h .

Помимо энергии фотон обладает массой и импульсом.

ε_ф = h ; ε_ф = m_фc² ; hν = m_фc² (7)

Масса фотона существенно отличается от массы макроскопических тел. Это отличие состоит в том, что фотон не обладает массой по­коя m₀. Если считать, что фотон обладает массой покоя и движется со скоростью с, применение формулы, выражающей зависимость массы от скорости

приводит к абсурду ( m =  ). Таким образом, покоящихся фотонов не существует.

Импульс фотона ( = c/):

. (8)

Итак, фотон, как и любая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом. Одним из подтверждений этого является световое давление.

(9)

При отражении ,

при поглощении .

Пусть на поверхность с коэффициентом отражения  в единицу времени на единицу площади падает N фотонов, тогда вызываемое ими давление

. (10)

энергетическая освещенность поверхности  энер­гия всех фотонов, падающих в единицу времени на единицу поверхности.

, 

Объемная плотность энергии излучения  коли­­чество энергии в единице объема.

, 

, . (11)

Давление света на зеркальную поверхность ( = 1) вдвое больше давления света на зачерненную поверхность ( = 0). Световое давление ничтожно мало. Так, прямые солнечные лучи в яркий день оказывают при полном поглощении давление 410^-7 Н/м².

Впервые экспериментально световое давление на твердые тела было обнаружено и измерено русским физиком П.Н. Лебедевым в 1901 году. В 1908 году Лебедев решил ещё более трудную задачу - экспе­риментально обнаружил и измерил световое давление на газы. Эта работа подтвердила правильность гипотезы русского астронома Ф.А. Бредихина об образовании кометных хвостов: тот факт, что кометные хвосты всегда отклонены от Солнца, объясняется световым давлением.

Несмотря на малое значение светового давления, с ним приходится считаться. Так, неравномерное освещение искусственных спутников Земли приводит к возникновению нежелательных вращаю­щих моментов, что приходится учитывать при расчете условий полета космических аппаратов. Световое давление играет большую роль в эволюции горячих звезд, так как препятствует сжатию звезды под действием гравитационных сил.