Как мы можем использовать фотоэффект на практике?

Свет со­об­ща­ет элек­тро­ну энер­гию и вы­би­ва­ет его из ме­тал­ла (см. рис. 14).

Рис. 14. Выход элек­тро­на из ме­тал­ла

Что это нам дает? Элек­трон мы можем за­ре­ги­стри­ро­вать. Если есть сво­бод­ные элек­тро­ны, то можно со­здать элек­три­че­ское поле, ко­то­рое за­ста­вит их дви­гать­ся и со­здаст элек­три­че­ский ток (см. рис. 15).

Рис. 15. Воз­ник­но­ве­ние элек­три­че­ско­го тока

Что де­лать с ним даль­ше – за­да­ча элек­тро­ни­ки; мы можем ток из­ме­рить, пре­об­ра­зо­вать, пе­ре­дать на рас­сто­я­ние и т. д. Глав­ное, что энер­гия света пе­ре­да­лась элек­тро­ну, свет пре­об­ра­зо­вал­ся в элек­три­че­ство.

А это зна­чит, что можно сде­лать дат­чик света, ко­то­рый опре­де­лял бы его на­ли­чие по на­ли­чию фо­то­эф­фек­та, его ин­тен­сив­ность по ко­ли­че­ству фо­то­элек­тро­нов.

Такие устрой­ства – это фо­то­эле­мен­ты, в ко­то­рых све­то­вой поток управ­ля­ет элек­три­че­ским током или пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­три­че­скую энер­гию. Фо­то­эле­мен­ты на­хо­дят мно­же­ство при­ме­не­ний в быту и в тех­ни­ке. На­при­мер, они счи­ты­ва­ют ин­фор­ма­цию, за­пи­сан­ную на зву­ко­вой до­рож­ке ки­но­плен­ки, об­на­ру­жи­ва­ют про­ход без­би­лет­ни­ка в метро (при пе­ре­се­че­нии неви­ди­мо­го луча пре­кра­ща­ет­ся ток в фо­то­эле­мен­те (см. рис. 16)), за­ме­ча­ют за­дым­ле­ние в по­ме­ще­нии и т. п.

Рис. 16. Прин­цип тур­ни­ке­тов в метро

Мы рас­смот­ре­ли один слу­чай – что про­ис­хо­дит при пе­ре­да­че элек­тро­ну энер­гии фо­то­на – элек­трон по­ки­да­ет ве­ще­ство. Но в общем слу­чае он может по­ки­нуть атом ве­ще­ства и стать сво­бод­ным но­си­те­лем за­ря­да внут­ри ве­ще­ства (это яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся внут­рен­ним фо­то­эф­фек­том) (см. рис. 17).

Рис. 17. Внут­рен­ний фо­то­эф­фект

Из­лу­че­ние можно ис­поль­зо­вать как ин­фор­ма­ци­он­ный сиг­нал. К при­ме­ру, пульт ди­стан­ци­он­но­го управ­ле­ния те­ле­ви­зо­ром по­сы­ла­ет управ­ля­ю­щие сиг­на­лы в виде ин­фра­крас­но­го (неви­ди­мо­го для наших глаз) из­лу­че­ния (см. рис. 18), ко­то­рое вос­при­ни­ма­ет­ся фо­то­эле­мен­том на пе­ред­ней па­не­ли те­ле­ви­зо­ра.

Рис. 18. Ин­фра­крас­ное из­лу­че­ние

Неви­ди­мые элек­тро­маг­нит­ные сиг­на­лы пуль­та ведут себя так же, как ви­ди­мый свет. Вы мо­же­те убе­дить­ся в этом, по­пы­тав­шись пе­ре­клю­чать ка­на­лы, на­прав­ляя пульт не на те­ле­ви­зор, а на его изоб­ра­же­ние в зер­ка­ле.

Элек­трон по­ки­да­ет атом, ста­но­вит­ся сво­бод­ным, и в цепи на­чи­на­ет течь фо­то­ток. Он и осу­ществ­ля­ет нуж­ные пе­ре­клю­че­ния в элек­три­че­ской цепи те­ле­ви­зо­ра.

При по­гло­ще­нии энер­гии света элек­тро­на­ми может воз­ник­нуть ЭДС, что ис­поль­зу­ет­ся в сол­неч­ных ба­та­ре­ях, а это еще одно очень пер­спек­тив­ное при­ме­не­ние фо­то­эф­фек­та.

 

Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике

1. Гипотеза Планка. 2. Определение фотоэффекта. 3. Законы фотоэффекта. 4. Уравнение Эйнштейна. 5. Применение фотоэффекта. 6. Распространенные ошибки.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой , где — постоянная Планка, равная , — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого и 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дутой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.

В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

— количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

— максимальная кинетическая энергия фото электронов линейно возрастает с частотой света и н зависит от его интенсивности.

Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства.

Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты — красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при фотоэффект не происходит при любой энергии света а если , то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

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 энергии . При вылете из металла энергия каждого электро на уменьшается на определенную величину, котору называют работой выхода (). Работа выхода это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна: . Следовательно,

.

Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

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, и которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.