В каком явлении проявляются квантовые свойства света
Задумывались ли вы о том, что собой представляют на самом деле многие световые явления? Для примера возьмем фотоэффект, тепловые волны, фотохимические процессы и тому подобное – все это квантовые свойства света. Если бы они не были открыты, труды ученых не двинулись бы с мертвой точки, собственно, как и научно-технический прогресс. Изучают их в разделе квантовой оптики, который неразрывно связан с одноименным разделом физики.
Квантовые свойства света: определение термина
До недавнего времени четкую и понятную трактовку данному оптическому явлению дать не могли. Им успешно пользовались в науке и повседневной жизни, на его основе строили не только формулы, но и целые задачи по физике. Сформулировать окончательное определение получилось лишь у современных ученых, которые подводили итоги деятельности своих предшественников. Итак, волновые и квантовые свойства света – это следствие особенностей его излучателей, которыми являются электроны атомов. Квант (или фотон) образуется за счет того, что электрон переходит на пониженный энергетический уровень, тем самым генерируя электро-магнитные импульсы.
Первые оптические наблюдения
Предположение о наличии у света квантовых свойств появилось в XIX столетии. Ученые открыли и усердно изучали такие явления, как дифракция, интерференция и поляризация. С их помощью была выведена электромагнитная волновая теория света. Она базировалась на ускорении движения электронов во время колебания тела. За счет этого происходило нагревание, а следом за ним появлялись световые волны. Первую авторскую гипотезу на сей счет сформировал англичанин Д. Рэлей. Он расценивал излучение как систему одинаковых и постоянных волн, причем в замкнутом пространстве. Согласно его выводам, при уменьшении длины волн мощность их должна была непрерывно возрастать, более того, требовалось наличие ультрафиолетовых и рентгеновских волн. На практике же все это не подтвердилось, и за дело взялся другой теоретик.
Формула Планка
В самом начале XX века Макс Планк – физик немецкого происхождения – выдвинул интересную гипотезу. Согласно ей, излучение и поглощения света происходит не непрерывно, как думали ранее, а порционно – квантами, или, как их еще называют, фотонами. Была введена постоянная Планка – коэффициент пропорциональности, обозначаемый буквой h, и он был равен 6,63·10-34Дж·с. Дабы высчитать энергию каждого фотона, требовалась еще одна величина – v– частота света. Постоянная Планка умножалась на частоту, и в результате получали энергию отдельно взятого фотона. Так немецкий ученый точно и грамотно закрепил в одной простой формуле квантовые свойства света, которые ранее были обнаружены Г. Герцем и обозначены им как фотоэффект.
Открытие фотоэффекта
Как мы уже сказали, ученый Генрих Герц был первым, кто обратил внимание на незамечаемые ранее квантовые свойства света. Фотоэффект был открыт в 1887 году, когда ученый соединил освещенную цинковую пластину и стержень электрометра. В случае если до пластины доходит положительный заряд, электрометр не разряжается. Если излучается заряд отрицательный, то прибор начинает разряжаться, как только на пластину попадает луч ультрафиолета. В ходе данного практического опыта было доказано, что пластина под воздействием света может излучать отрицательные электрические заряды, которые впоследствии получили соответствующее название – электроны.
Практические опыты Столетова
Практические эксперименты с электронами проводил русский исследователь Александр Столетов. Для своих опытов он использовал вакуумный стеклянный баллон и два электрода. Один электрод использовался для передачи энергии, а второй был освещаемым, и к нему подводился отрицательный полюс батареи. В ходе данной операции начинала возрастать сила тока, но через некоторое время она становилась постоянной и прямо пропорциональной излучению светового потока. В результате было выявлено, что кинетическая энергия, а также задерживающие напряжения электронов не зависят от мощности светового излучения. Но увеличение частоты света заставляет расти данный показатель.
Новые квантовые свойства света: фотоэффект и его законы
В ходе развития теории Герца и практики Столетова были выведены три основные закономерности, по которым, как оказалась, функционируют фотоны:
1. Мощность светового излучения, которое падает на поверхность тела, прямо пропорциональна силе тока насыщения.
2. Мощность светового излучения никак не влияет кинетическую энергию фотоэлектронов, а вот частота света является причиной линейного роста последней.
3. Существует некая «красная граница фотоэффекта». Суть заключается в том, что если частота меньше минимального показателя частоты света для данного вещества, то фотоэффекта не наблюдается.
Трудности столкновения двух теорий
После формулы, выведенной Максом Планком, наука столкнулась с дилеммой. Ранее выведенные волновые и квантовые свойства света, которые были открыты чуть позже, не могли существовать в рамках общепринятых физических законов. В соответствии с электромагнитной, старой теорией, все электроны тела, на которое попадает свет, должны приходить в вынужденное колебание на равных частотах. Это порождало бы бесконечно большую кинетическую энергию, что никак невозможно. Более того, для накопления необходимого количества энергии электронам нужно было пребывать в состоянии покоя десятки минут, в то время как явление фотоэффекта на практике наблюдается без малейшей задержки. Дополнительная путаница возникала также из-за того, что энергия фотоэлектронов не зависела от мощности светового излучения. Кроме того, еще не была открыта красная граница фотоэффекта, а также не была высчитана пропорциональность частоты света кинетической энергии электронов. Старая теория не смогла четко объяснить видимые глазу физические явления, а новая была еще не до конца отработанной.
Рационализм Альберта Эйнштейна
Лишь в 1905 году гениальный физик А. Эйнштейн выявил на практике и четко сформулировал в теории, какова она – истинная природа света. Волновые и квантовые свойства, открытые с помощью двух противоположных друг другу гипотез, в равных частях присущи фотонам. Для полноты картины не хватало лишь принципа дискретности, то есть точного местонахождения квантов в пространстве. Каждый квант – это частица, которая может поглощаться или излучаться как единое целое. Электрон, «проглатывая» внутрь себя фотон, увеличивает свой заряд на значение энергии поглощаемой частицы. Далее, внутри фотокатода электрон движется к его поверхности, сохраняя при этом «двойную порцию» энергии, которая на выходе превращается в кинетическую. Таким простым образом и осуществляется фотоэффект, в котором отсутствует запоздалая реакция. У самого финиша электрон выпускает из себя квант, который и падает на поверхность тела, излучая при этом еще больше энергии. Чем больше количество выпущенных фотонов – тем мощнее излучение, соответственно, и колебание световой волны растет.
Простейшие приборы, в основе которых лежит принцип фотоэффекта
После открытий, сделанных немецкими учеными на заре ХХ столетия, началось активное применение квантовых свойств света для изготовления различных приборов. Изобретения, принцип действия которых заключается в фотоэффекте, называют фотоэлементами, простейший представитель которых – вакуумный. В числе его недостатков можно назвать слабую проводимость тока, низкую чувствительность к излучению длинных волн, из-за чего он не может быть использован в цепях переменного тока. Вакуумный прибор широко используется в фотометрии, им измеряют силу яркости и качества света. Также он играет важную роль в фототелефонах и в процессе воспроизведения звука.
Фотоэлементы с проводниковыми функциями
Это уже совсем иной тип приборов, в основе которых лежат квантовые свойства света. Их назначение – изменение концентрации носителей тока. Данное явление иногда называют внутренним фотоэффектом, и он составляет основу работы фоторезисторов. Данные полупроводники играют очень важную роль в нашей повседневной жизни. Впервые их начали использовать в ретро-автомобилях. Тогда они обеспечивали работу электроники и аккумуляторов. В середине ХХ века подобные фотоэлементы стали применять для строительства космических кораблей. До сих пор за счет внутреннего фотоэффекта работают турникеты в метро, портативные калькуляторы и солнечные батареи.
Фотохимические реакции
Свет, природа которого стала лишь частично доступна науке в ХХ веке, на самом деле влияет на химические и биологические процессы. Под воздействием квантовых потоков начинается процесс диссоциации молекул и их слияние с атомами. В науке такое явление называется фотохимией, а в природе одним из его проявлений является фотосинтез. Именно за счет световых волн в клетках производятся процессы по выбросу определенных веществ в межклеточное пространство, за счет чего растение приобретает зеленый оттенок.
Влияют квантовые свойства света и на человеческое зрение. Попадая на сетчатку глаза, фотон провоцирует процесс разложение молекулы белка. Данная информация транспортируется по нейронам в мозг, и после ее обработки мы можем видеть все при свете. С наступлением темноты молекула белка восстанавливается, и зрение аккомодируется к новым условиям.
Итоги
В ходе данной статьи мы выяснили, что главным образом квантовые свойства света проявляются в явлении, называемом фотоэффектом. Каждый фотон имеет свой заряд и массу, и при столкновении с электроном попадает внутрь него. Квант и электрон становятся одним целым, и их совместная энергия превращается в кинетическую, что, собственного говоря, и требуется для осуществления фотоэффекта. Волновые колебания при этом могут увеличить производимую фотоном энергию, но лишь до определенного показателя.
Фотоэффект в наши дни является незаменимой составляющей большинства видов техники. На его основе строят космические лайнеры и спутники, разрабатывают солнечные батареи, используют как источник вспомогательной энергии. Кроме того, световые волны оказывают огромное влияние на химико-биологические процессы на Земле. За счет простых солнечных лучей растения становятся зелеными, земная атмосфера окрашивается во всю палитру синего цвета, и мы видим мир таким, каков он есть.
Источник
Макс ПланкКвантовые свойства света
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — коэффициент пропорциональности — постоянная Планка, v— частота света. Опытным путем вычислили h = 6,63·10-34 Дж·с. Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем. Далее фотоэффект изучил экспериментально русский ученый Столетов.
Фотоэффект и его законы
схема опыта Столетова
Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:
— это уравнение Эйнштейна.
Если hv < Авых , то фотоэффекта не происходит. Предельную частоту vmin и предельную длину волны λmax называют красной границей фотоэффекта. Она выражается так: vmin =A/h , λmax= λкр = hc/A, где λmax ( λкр ) – максимальная длина волны , при которой фотоэффект еще наблюдается. Красная граница фотоэффекта для разных веществ различна, т.к. А зависит от рода вещества.
Применение фотоэффекта в технике.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в первых автомобилях.
В демонстрационной модели рассматривается явление фотоэффекта.
Экспериментальное исследование фотоэффекта проведено Столетовым. Он предложил удобную измерительную схему, принцип которой сохранился до настоящего времени. Внутрь баллона, в котором создан вакуум, помещаются два электрода: фотокатод К, изготовленный из исследуемого материала, и анод. Свет направляется на фотокатод через кварцевое окно. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта (так называемые фотоэлектроны), перемещаются под действием электрического поля к аноду. Появление тока в цепи регистрируется гальванометром Г, напряжение между фотокатодом и анодом изменяется потенциометром П, а измеряется вольтметром V.
Источник
Распределение энергии в спектре излучения нагретых твердых тел.
Изучение явлений дифракции, интерференции и поляризации света привело к утверждению электромагнитной волновой теории света.
Излучение электромагнитных волн в диапазоне радиоволн происходит при ускоренной движении электронов, например при колебаниях электронов в антенне радиопередатчика. Можно предположить, что излучение видимого света нагретыми телами также обусловлено колебательными движениями электронов, только с частотами гораздо более высокими, чем в антенне радиопередатчика.
Проверка правильности такого предположения могла быть выполнена путем сравнения теоретически предсказываемого электромагнитной теорией закона распределения энергии в сплошном спектре излучения нагретого тела с наблюдаемым экспериментально.
Пример экспериментально полученной кривой распределения энергии в спектре излучения нагретого тела представлен на рисунке 296, а. По оси абсцисс отложены длины волн, по оси ординат — мощность излучения единицы поверхности светящегося тела в единичном интервале длии волн.
Попытка теоретического вывода закона распределения энергии в сплошном спектре была сделана английским физиком Д. Рэлеем. Рэлей рассматривал излучение в замкнутом объеме как систему стоячих монохроматических волн.
Полученный из таких предположений закон распределения энергии в сплошном спектре излучения представлен на рисунке 296, б.
По этому закону мощность излучения должна непрерывно возрастать с уменьшением длины волны излучения. Это значит, что в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на самом деле не наблюдается. Если бы этот закон выполнялся во всем диапазоне частот, то полная энергия излучения светящегося тела была бы бесконечно большой.
Гипотеза Планка.
Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения нагретого твердого тела, немецкий физик Макс Планк в
1900 г. высказал гипотезу, которая положила начало подлинной революции в теоретической физике. Смысл этой гинотезы заключается в том, что запас энергии колебательной системы, находящейся в равновесии с электромагнитным излучением, не может принимать любые значения. Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, обязательно должна быть равна целому кратному некоторого определенного количества энергии.
Минимальное количество энергии, которое система может поглотить или излучить, называется квантом энергии. Энергия кванта Е должна быть пропорциональна частоте колебаний
Коэффициент пропорциональности в этом выражении иосит название постоянной Планка. Постоянная Планка равна
Исходя из этой новой идеи, Планк получил закон распределения энергии в спектре, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Хорошее согласие теоретически предсказанного закона с экспериментом было основательным подтверждением квантовой гипотезы Плашса.
Открытие фотоэффекта.
Гипотеза Планка о кваитах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887 г, немецким физиком Генрихом Герцем.
Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины (рис. 297, а). При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение (рис. 297,б). Этот опыт доказывает, что с
поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы — электроны.
Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.
Законы фотоэффекта.
Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839—1896) в 1888 — 1889 гг. Используя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами (рис. 298), он исследовал зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами и условий освещения электрода.
При неизменных условиях освещения одного электрода зависимость силы тока от напряжения имела вид, представленный на рисунке 299.
Если подключить к освещаемому электроду отрицательный полюс батареи, то сначала сила тока с повышением напряжения возрастает, а затем сила тока остается постоянной. Сила тока насыщения пропорциональна мощности светового потока излучения. Этому случаю соответствует участок графика на рисунке 299 слева от оси ординат. Измерив запирающее напряжение, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов, вырываемых светом из катода:
Оказалось, что задерживающее напряжение, а значит, и кинетическая энергия фотоэлектронов не зависят от мощности светового излучения, но увеличиваются с возрастанием частоты света.
Перечисленные экспериментальные факты позволили сформулировать следующие законы фотоэффекта:
1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна мощности светового излучения, падающего на поверхность тела.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света
и не зависит от мощности светового излучения.
3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит (красная граница фотоэффекта).
Затруднения волновой теории при объяснении фотоэффекта.
Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось.
Согласно электромагнитной теории под действием света, падающего, например, на поверхность твердого тела, должны приходить в вынужденные колебания одновременно все электроны в слое вещества такой толщины, на которую проникает в него электромагнитная (световая) волна.
Для освобождения с поверхности тела электрон должен обладать кинетической энергией, превышающей работу выхода А.
Интервал времени в течение которого электрон может накопить энергию, необходимую для своего освобождения, можно определить, разделив работу выхода на значение энергии, приобретаемой электроном в единицу времени от электромагнитного поля.
Время запаздывания по расчетам на основе электромагнитной теории света должно быть весьма значительным, по крайней мере, должно составлять несколько десятков минут. В действительности же фотоэффект возникал сразу же после начала освещения; никакого запаздывания, хотя бы на миллионные доли секунды, в экспериментах не наблюдалось.
Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от мощности светового излучения, существование красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света.
Фотоны.
Объяснение основных законов фотоэффекта было дано Альбертом Эйнштейном (1879—1955) в 1905 г. Гипотезу Планка об излучении света в виде отдельных порций — квантов с энергией, пропорциональной частоте света, А. Эйнштейн дополнил предположением о дискретности, локализации этих квантов в пространстве.
Согласно квантовым представлениям свет — это поток особых частиц — фотонов. Энергия каждого фотона определяется формулой
где — постоянная Планка; — частота света.
На основе представлений о фотоне как частице, которая может излучаться или поглощаться лишь как целое, явление фотоэффекта получает простое объяснение: поглощая один фотон, электрон внутри фотокатода увеличивает свою энергию на значение энергии фотона
При условии электрон может покинуть фотокатод. Если на пути к поверхности фотокатода этот электрон не растратит часть полученной от фотона энергии во взаимодействиях с электронами других атомов, то он выйдет из
фотокатода с кинетической энергией:
Эго соотношение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
Таким образом, фотонная теория света объяснила наблюдаемую экспериментально линейную зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света, вызывающего фотоэффект.
Красная граница фотоэффекта в фотонной теории определяется из уравнения Эйнштейна условием равенства энергии фотоиа работе выхода электрона А:
откуда
Становится понятным и отсутствие запаздывания возникновения фототока после начала освещения: фотон, достигший фотокатода, практически мгновенно может освободить из него один электрон. Пропорциональность силы фототока мощности излучения в фотонной теории просто очевидна, так как, чем больше фотонов падает на поверхность тела, тем больше электронов они освобождают.
Эффект Комптона.
Объяснение законов фотоэффекта на основе гипотезы о существовании фотонов было большим успехом гипотезы, но не являлось ее строгим доказательством. Для доказательства существования фотонов как обособленных в пространстве частиц, обладающих массой и импульсом, необходимо было экспериментально обнаружить взаимодействие отдельных фотонов с другими частицами. Опыт такого рода впервые удалось осуществить американскому физику Артуру Комптону в Комптон установил, что при прохождении пучка рентгеновских лучей через слой вещества возникает рассеянное рентгеновское излучение с частотой меньшей частоты первичного пучка.
Согласно волновой теории механизм рассеяния рентгеновского излучения объясняется возникновением вторичных электромагнитных волн в результате вынужденных колебаний электронов в атомах вещества под действием переменного электрического поля первичного пучка. При этом частота рассеянного рентгеновского излучения должна почти точно совпадать с частотой первичного излучения. Наблюдаемое же различие частот первичного и рассеянного излучений волновая теория объяснить не могла.
Если же считать пучок рентгеновских лучей состоящим из отдельных частиц — фотонов, летящих со скоростью света и способных испытывать столкновения с другими частицами, то следует допустить возможность обмена фотонов с электронами энергией и импульсом. Тогда результаты опытов Комптона легко объяснить.
Рентгеновский фотон с частотой обладает энергией Е и импульсом При столкновении фотона с электроном, находящимся в покое, происходит передача части энергии и импульса фотона этому электрону. Уменьшение
энергии фотона в результате столкновения приводит к уменьшению его частоты (рис. 300).
Вычисления, выполненные на основе представлений о фотонах как о частицах, способных испытывать столкновения с электронами и другими частицами, дают результаты, полностью согласующиеся с результатами эксперимента.
Давление света.
С представлением о свете как о потоке частиц связано предположение о существовании светового давления. Если частица света обладает массой то при столкновении ее с поверхностью твердого тела может произойти либо поглощение частицы, либо ее отражение. В первом случае изменение импульса частицы равно во втором оно в два раза больше: Поэтому при одинаковой плотности потока светового излучения давление света на зеркальную поверхность должно быть в два раза больше давления на черную поверхность, поглощающую свет.
Экспериментальное доказательство существования светового давления было получено впервые выдающимся русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым (1866—1912) лишь в 1900 г.
В опытах П. Н. Лебедева одинаковые световые потоки направлялись на два легких металлических диска, подвешенных на тонкой нити (рис. 301). Одии диск был зеркальным и отражал падающий на него свет, второй был черным и поглощал падающий свет. При одновременном освещении двух дисков происходил их поворот вокруг вертикальной оси. По углу закручивания упругой нити подвеса можно было измерить момент сил, вызывающих этот поворот. Закручивание нити подвеса происходило в таком направлении, которое соответствует большей силе давления света на зеркально отражающий диск.
Обнаружить световое давление было очень трудно, так как оно очень мала
Сила светового давления в природных явлениях не всегда пренебрежимо мала по сравнению с другими силами. В недрах звезд потоки светового излучения настолько велики, что сила светового давления становится сравнимой с силой гравитационного
взаимодействия и препятствует неограниченному сжатию звезд.
Дуализм свойств света.
При исследовании законов фотоэффекта в опытах по наблюдению рассеяния фотонов на электронах обнаруживается квантовая, корпускулярная природа света. Но вместе с тем свет обнаруживает способность к дифракции, интерференции, преломлению, отражению, дисперсии, поляризации и все эти явления полностью объясняются на основе представлений о свете как электромагнитной волне.
Проявление светом как волновых, так и корпускулярных свойств называется корпускулярно-волновым дуализмом свойств света. Смысл корпускулярно-волнового дуализма свойств света заключается не в том, что свет одновременно является и волной, и потоком частиц. Тот факт, что свет в одних условиях обнаруживает сходство с потоком частиц, а в других — с поперечными волнами, показывает, что в действительности природа света более сложна и не может быть полностью правильно описана с применением наглядных и привычных нам образов классической физики. Например, утверждая, что фотон обладает импульсом и массой, нельзя забывать, что существует он только в движении со скоростью света и, следовательно, не обладает массой покоя. Смысл корпускулярноволнового дуализма свойства света заключается в том, что свет имеет сложную природу, которая в зависимости от условий опыта лишь приближенно может быть описана с применением привычных нам представлений о волнах или частицах.
Применепке фотоэффекта. Простейшим прибором, работающим на основе использования фотоэффекта, является вакуумный фотоэлемент. Вакуумный фотоэлемент состоит из стеклянной колбы, снабженной двумя электрическими выводами. Внутренняя поверхность колбы частично покрыта тонким слоем металла. Это покрытие служит катодом фотоэлемента. В центре баллона расположен анод. Выводы катода и анода подключаются к источнику постоянного напряжения. При освещении катода с его поверхности вырываются электроны. Этот процесс называется внешним фотоэффектом. Электроны движутся под действием электрического поля к аноду. В цепи фотоэлемента возникает электрический ток, сила тока пропорциональна мощности светового излучения. Таким образом фотоэлемент преобразует энергию светового излучения в энергию электрического тока.
Для преобразования энергии светового излучения в энергию электрического тока широко применяются и полупроводниковые фотоэлементы.
Полупроводниковый элемент имеет следующее устройство. В плоском кристалле кремния или другого полупроводника с дырочной проводимостью создается тонкий слой полупроводника с электронной проводимостью. На границе раздела этих слоев возникает -переход. При освещении полупроводникового кристалла в результате поглощения света происходит изменение распределения электронов и дырок по энергиям. Этот процесс называется
внутренним фотоэффектом. В результате внутреннего фотоэффекта увеличивается количество свободных электронов и дырок в полупроводнике, происходит их разделение на границе -перехода.
При соединении противоположных слоев полупроводникового фотоэлемента проводником в цепи возникает электрический ток; сила тока в цепи пропорциональна мощности светового потока излучения, падающего на фотоэлемент.
Включение фотоэлемента последовательно с обмоткой электромагнитного реле позволяет автоматически включать или выключать исполнительные устройства при попадании света на фотоэлемент. Фотоэлементы используются в кино для воспроизведения звукового сопровождения, записанного на киноленту в виде звукоаой дорожки.
Полупроводниковые фотоэлементы широко используются на искусственных спутниках Земли, межпланетных автоматических станциях и орбитальных станциях в качестве энергетических установок, с помощью которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическую энергию. КПД современных полупроводниковых фотоэлектрических генераторов превышает 20%.
Полупроводниковые фотоэлементы все шире применяются в быту. Они используются в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах; проходят испытания первые солнечные электромобили.
Фотохимические процессы.
Под действием света могут происходить процессы диссоциации молекул, присоединения атомов к молекулам. Различные химические реакции, протекающие под действием света, называются фотохимическими реакциями. Наиболее значительными в живой природе являются фотохимические процессы фотосинтеза. В жизни человека большую роль играет способность глаза воспринимать свет. Поглощение фотона света в светочувствительной клетке сетчатки приводит к разложению молекулы белка — родопсина. При разложении молекулы родопсина возникает сигнал, который по нервным волокнам передается мозгу. В темноте родопсин восстанавливается, и клетки снова становятся способны к восприятию света.
С явлением внутреннего фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах. Фотоматериалы на основе серебра содержат кристаллы бромистого серебра распределенные в тонком слое желатиновой эмульсии, нанесенной на стеклянную пластинку, пленку или бумагу.
Под действием света в кристалле бромистого серебра образуются нейтральные атомы серебра и брома, атомы серебра концентрируются вблизи дефектов кристаллической решетки и образуют там маленькие кристаллы металлического серебра.
Квантовый характер взаимодействия света с веществом проявляется в фотохимических
процессах в том, что один акт химического превращения происходит при поглощении одного фотона света. Поэтому число атомов серебра, освобожденных в кристалле бромистого серебра под действием света, пропорционально числу фотонов, поглощенных этим кристаллом.
При открывании затвора фотоаппарата на короткое время объектив проецирует на фотопленку изображение предмете». В различных местах фотопленки освобождается разное количество свободных атомов серебра, в каждом месте число освобожденных атомов серебра пропорционально числу падающих фотонов света. Таким образом, в фотопленке возникает изображение из частиц металлического серебра. Частицы металлического серебра, возникающие в кристалле под действием света, очень малы. Поэтому изображение из кристаллов серебра, возникающее в фотопленке под действием света, называется скрытым изображением.
Для получения видимого изображения используется процесс проявления. Для проявления пленку в темноте погружают в раствор проявителя — вещества, способного восстанавливать бромистое серебро в свободное металлическое серебро. Такое восстановление наиболее эффективно происходит вокруг центров скрытого изображения.
Для того чтобы после проявления оставшиеся в пленке кристаллы бромистого серебра не могли восстановиться, производится процесс фиксирования в растворе тиосульфата натрия Процесс фиксирования заключается в растворении кристаллов неразложившегося бромистого серебра.
Изображение на фотопленке получается негативным, т. е. светлым местам объекта соответствуют темные места фотографического изображения. Для получения нормального, позитивного, изображения производится повторный процесс фотографирования с негатива на фотобумагу, после чего производятся операции проявления и фиксирования.
Источник