Медколледж 17.04. 20. ФИЗИКА Тема 4. "Фотоэффект и его применение"
учебно-методический материал по физике

Фотоэффект и его применение

Я не исследовал законов природы и

не сделал крупных научных открытий.

Я не изучал их так, как изучали Ньютон,

Кеплер, Фарадей и Генри для того,

чтобы узнать истину. Я только

профессиональный изобретатель.

Все мои изыскания и опыты производились

исключительно с целью найти что-либо,

имеющее практическую ценность».

Томас Эдисон

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

 энергия поглощается дискретными порциями – квантами.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку. На основе фотоэффекта можно определить массу фотона, а также его импульс.

Законы фотоэффекта описываются формулами, которые связывают волновые и корпускулярные свойства света. Это заставило ученых принять корпускулярно-волновой дуализм, то есть, общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне. Оказалось, что при распространении свет ведет себя как волна, но при взаимодействии с веществом начинает проявлять корпускулярные свойства. В 1923 году Луи де Бройль высказал предположение о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только фотонам, но и другим частицам. Формула, описывающая соотношение де Бройля считается одной из основных формул в физике микромира.

благодаря фотоэффекту стало возможно передавать движущиеся изображение (то есть, телевидение), пришел конец эпохи немого кино, без участия человека включать или выключать уличное освещение, открывать или закрывать двери, поднимать и опускать шлагбаумы и так далее. Для подобных целей были изобретены особые устройства, которые называются фотоэлементами. Фотоэлементы – это устройства, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

Надо сказать, что явление фотоэффекта делится на внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света. Это явление применяется в вакуумных фотоэлементах.  Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света. Это явление применяется в полупроводниковых фотоэлементах.

Рассмотрим устройство современного вакуумного фотоэлемента. Он представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла. Этот слой изготовлен из металла с малой работой выхода. Он служит катодом. Анодом служит проволочная петля (или диск), находящаяся в центре колбы. Анод улавливает фотоэлектроны. Анод присоединяется к положительному полюсу батареи, а катод – к отрицательному.

Когда свет через прозрачную часть колбы попадает на катод, в цепи возникает электрический ток (за счет движения электронов, вырванных из металла). Этот ток регистрируется тем или иным устройством, в результате чего включается (или наоборот выключается) реле. Эта схема работы лежит в основе всех, так называемых, видящих автоматов – тех же автоматических дверей. Когда человек подходит к такой двери, он закрывает собой свет, и на это незамедлительно реагирует фотоэлемент, а за ним и реле. Можно заметить похожую картину и в современных лифтах: если стоять в дверном проеме, то дверь не будет закрываться. По тому же принципу действуют турникеты в метро или освещение, которое автоматически включается, когда вы входите в помещение.

Рассмотрим устройство полупроводникового фотоэлемента. Напомним, что полупроводники делятся на полупроводники n-типа и полупроводники p-типа. Полупроводники n-типа – это полупроводники с донорными примесями: в них основными носителями зарядов являются электроны.

Полупроводники p-типа – это полупроводники с акцепторными примесями: в них основными носителями заряда являются дырки.

Два проводника разных типов могут образовать контакт, который называется p-n-переходом. В области p-n-перехода существует электрическое поле, под действием которого неосновные заряды перемещаются через контакт.

Под действием света образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к тому, что в полупроводнике n-типа накапливается все больше электронов, а в полупроводнике p-типа накапливается все больше дырок.

Таким образом, потенциал полупроводника p-типа увеличивается, а потенциал полупроводника n-типа уменьшается. В итоге, между полупроводниками образуется разность потенциалов, которая и создает ЭДС (эта ЭДС называется фотоЭДС). При замыкании цепи в ней возникнет электрический ток, равный разности токов основных и неосновных носителей. Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и от сопротивления цепи.

Необходимо отметить, что полупроводниковые фотоэлементы создают ЭДС порядка 1–2 В, а их полезная мощность достигает ~100 Вт, при коэффициенте полезного действия около двадцати 20 %. Поэтому встал вопрос об использовании полупроводниковых фотоэлементов в качестве экономичных источников тока. Ярким примером таких источников являются солнечные батареи. Солнечные батареи можно устанавливать на крышах домов и, таким образом, получать абсолютно бесплатную энергию от Солнца.

Например, Германия за 2013 год выработала 5,1 ТВт×ч электрической энергии, используя солнечные батареи. Однако, следует отметить, что изготовление солнечных батарей на данный момент стоит довольно дорого. Кроме того, для производства достаточного количества энергии в промышленных масштабах, требуются огромные площади для солнечных батарей. Тем не менее, солнечные батареи активно используются на космических станциях и кораблях.

Во многих случаях отдельные молекулы поглощают световые кванты, то есть получают определенную энергию. Этой энергии часто может быть достаточно, чтобы молекула расщепилась – то есть, чтобы произошла химическая реакция. Именно такие химические реакции легли в основу фотографии.

Упражнения.

Задача 1. Работа выхода электрона с поверхности фотокатода составляет 9×10–19 Дж. Известно, что при облучении фотоэлемента светом, фототок прекращается при запирающем напряжении 4,2 В. Найдите частоту световой волны, падающей на фотоэлемент.

Задача 2. Известно, что когда на пластинку из калия падает световая волна, длина которой 299 нм, выбитые из пластинки электроны вылетают со скоростью 700 км/с. Найдите красную границу фотоэффекта для калия.

Основные выводы:

– Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

– В вакуумных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

– В полупроводниковых фотоэлементах используется внутренний фотоэффект.

– ФотоЭДС – это ЭДС создаваемое разностью потенциалов между полупроводниками p и n типа, из-за возникновения пар электрон-дырка под действием света.

– На явлении фотоэффекта основано устройство солнечных батарей.

– Явление фотоэффекта лежит в основе фотографии.