42. Квантавыя ўласцівасці выпраменьвання. Фотаэлектрычны эфект. Законы фотаэфекту. Раўнанне Эйнштэйна. Прымяненне фотаэфекту.

Фотаэлектрычны эффект - выпусканне электронаў рэчывам пад ўздзеяннем святла. Адкрыццё фотаэфекту адносяць да 1887 г.(Г.Герц).

У выніку сістэматычных даследаванняў нямецкага фізіка В.Гальвакса (1859—1922) і рускага фізіка А.Сталетава (1839 — 1896) высветлілася, што ў доследзе Герца прычынай назіраемых з'яў было вызваленне зарадаў з электродаў пад дзеяннем святла.

Схема доследа Сталетава паказана на рыс. 2.2. Пры асвятленні пласцін плоскага кандэнсатара, што знаходзяцца пад напружаннем, у ланцугу ўзнікае электрычны ток, які атрымаў назву фотатоку. Уключаны ў ланцуг гальванометр Г вымяраў сілу гэтага току.

Асноўныя вынікі даследаванняў Сталетава сфармуляваны ў яго законах фотаэфекту:

1) найбольш эфектыўна дзейнічаюць ультрафіялетавыя прамяні;

2) сіла фотатоку прапарцыйная асветленасці паверхні цела;

3) пад дзеяннем святла вызваляюцца адмоўныя зараджаныя часціцы.

Фотаэфект можа назірацца ў газах на асобных атамах і малекулах. Гэтая з'ява атрымала назву фотаіанізацыі.

У кандэнсаваных асяроддзях механізм паглынання фатонаў залежыць ад іх энергіі.

З'ява вырывання электронаў за межы паверхні цвёрдых і вадкіх рэчываў пад уздзеяннем святла атрымала назву вонкавага фотаэфекту.

Часам гэтую з'яву называюць фотаэлектронпай эмісіяй. Вонкавы фотаэфект часцей за ўсё назіраецца ў металах. Для неметалічных цел вонкавы фотаэфект значна слабейшы. Пры асвятленні неметалічных цел (звычайна паўправаднікоў) святлом можа павялічвацца электраправоднасць. Гэтая з'ява нрсіць назву ўнутранага фотаэфекту. Пры гэтьм у рэчыве мяняецца канцэнтрацыя носьбітаў зараду або іх рухомасць, што прыводзіць да змянення электрычных уласцівасцей рэчыва. Унутраны фотаэфект уласцівы таксама і дыэлектрыкам. У неаднародных паўправадніках з прычыны іх аднабаковай праводнасці адбываецца прасторавы падзел аптычна узбуджаных электронаў і "дзірак", якія нясуць дадатны зарад і ўзнікаюць паблізу атамаў, ад якіх адарваліся электроны. Электроны і "дзіркі" канцэнтруюцца на розных канцах паўправадніка, у выніку чаго ўзнікае рознасць патэнцыялаў (фотаЭРС). Гэтую з'яву называюць фотагальванічным эфектам. Пры гэтым адбываецца прамое пераўтварэнне светлавой энергіі ў электрычную.Калі электрон атрымлівае энергію ад аднаго толькі фатона, то такі нрацэс назьшаюць абнафатопным. Пры вялікіх магутнасцях светлавых патокаў (што стала магчыма з адкрыццём лазераў) могуць ажыццяўляцца тматфатонныя працэсы, у прыватнасці шмат-фатонны фотаэфект, калі электрон, які вылятае з металу, атрымлівае энергію не ад аднаго фатона, а ад некалькіх. Доследным шляхам былі ўстаноўлены асноўныя законы вонкавага фотаэфекту.

Максімальная пачатковая хуткасць фотаэлектронаў лінейна залежыць ад частаты святла, якое падае, і не залежыць ад ягоінтэнсіўнасці.

Для кожнага рэчыва існуе мінімальная частата 0 святла, пры якой яшчэ магчымы вонкавы фотаэфект. Гэтая частата атрымала назву чырвоная мяжа фотаэфекту. Яна залежыць ад хімічнай прыроды рэчыва і стану яго паверхні.

Колькасць фотаэлектронаў п , якія вырываюцца з катода за адзінку часу, прапарцыйная інтэнсіўнасці святла, якое падае.

3 пункту гледжання квантавай тэорыі святло не толькі выпраменьваецца, але і распаўсюджваецца ў прасторы і паглынаецца рэчывам у выглядзе асобных порцый энергіі — квантаў выпраменьвання (фатонаў). Пры паглынанні святла рэчывам фатоны перадаюць сваю энергію часціцам гэтага рэчыва.

Разгледзім з пункту гледжання квантавай тэорыі святла вонкавыі фотаэфект у металах. Вядома, што для выхаду з металу электрона павінен выканаць работу па пераадоленні сіл прыцяжэння з боку іншых часціц. Гэтая работа атрымала назву работы выхаду (А). У выніку паглынання фатона электрону перадаецца энергія h . Калі h <А, то электрон не можа пераадолець сілы прыцяжэння і вырвацца з металу. Пры h0 =А электрон можа выканаць работу выхаду і вырвацца з металу. Пры частаце о назіраецца вонкавы фотаэфект. Калі h > А, электрон, які вырваўся, будзе валодаць яшчэ некаторай энергіяй:

Е = h -А.

Гэтая частка энергіі ідзе на наданне электрону кінетычнай энергіі за межамі паверхні: m /2 = h -А. (1) Гэт. роўнасць можна запісаць у выглядзе

h = А + m /2. (2)

Гэт. роўнасць носіць назву раўнання Эйштэйна для вонкавага фотаэфекту. Яно ўяўляе сабою закон захавання энергіі для элементарных працэсаў пры вонкавым фотаэфекце. Раўнанне (2) дазваляе растлумачыць усе асноўныя законы вонкавага фотаэфекту. 3 формулы (1) вынікае, што максімальная кінетычная энергія фотаэлектронаў залежыць ад частаты святла (1-ы закон). 3 гэтага раўнання таксама відаць, што выхад электрона за межы паверхні металу магчымы, калі h0 = А. У гэтым выпадку о = А/ h, дзе о — чырвоная мяжа фотаэфекту (2-і з-н).

Фотаэфект шырока выкарыстоўваецца для рэгістрацыі і вымярэння светлавых патокаў, пераўтварэння энергіі святла ў электрычную энергію. Амаль для ўсяго аптычнага дыяпазону распрацаваны фотаэлектрычныя прыёмнікі святла Часта мноства прыёмнікаў выпраменьвання, якія пераўтвараюць светлавы сігнал у электрычны, аб'ядноўваюць агульнай назвай — фотаэлементы. Самыя розныя аптычныя вымярэнні немагчымыя без выкарыстання фотаэлементаў.

Фотаэфект часта прымяняюць для пераўтварэння нябачнага вокам у інфрачырвоных, ультрафіялетавых або рэнтгенаўскіх прамянях відарыса аб'екта ў бачны. Адпаведныя прылады носяць назву электронна-аптычных пераўтваральнікаў.

Электронна-аптычныя пераўтваральнікі прымяняюцца ў тэхніцы, медыцыне, ядзернай фізіцы, астраноміі, тэлебачанні, для пераўтварэння ультрагукавога відарыса ў бачны. Сучасныя электронна-аптычныя пераўтваральнікі дазваляюць рэгістраваць на фотаэмульсіі светлавыя ўспьшікі ад аднаго электрона, выпускаемага ўваходным фотакатодам.