Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя) заключается в возникновении ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.

Вентильный фотоэффект был впервые (1888 г.) обнаружен русским физиком В.А. Ульяновым и состоит в том, что электроны проходят сквозь запирающий слой и заряжают расположенную на нем контактную пленку металла. Запирающий слой очень тонок, поэтому выбитые электроны свободно сквозь него проходят. В обратном направлении электроны пройти не могут, так как уже не обладают для этого достаточной кинетической энергией. На рис. 8 изображена схема фотоэлемента с запирающим слоем. На пластинку железа наносится тонкий слой селена, который покрыва­ется очень тонким слоем золота. На границе между слоем золота и селена образуется запирающий слой, который хорошо пропускает элект­роны, вырванные светом из слоя селена, в направ­ле­нии к пленке золота и не пропускает их обратно. В резуль­тате этого между слоем золота и железной подлож­кой возникает э.д.с., а если внешняя цепь замкнута, то в ней будет идти электрический ток.

Давление света

Давлением света называется давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого- либо тела.

Свет обнару­живает корпуску­лярно-волновой дуализм (двойст­вен­ность): в одних явлениях проявля­ется его волновая природа и он ведет себя как электро­маг­нитная волна, в других явлениях проявляется корпускулярная природа света и он ведет себя как поток фотонов.

В квантовой оптике световое давление является следствием того, что у фотона имеется импульс:

Из наличия у фотона импульса вытекает, что свет, падающий на какое-либо тело, должен оказывать на это тело давление, равное импульсу, сообщаемому фотонами единице поверхности в единицу времени.

Если в единицу времени на единицу поверхности тела падает фотонов, то при коэффициенте отражения света от поверхности тела фотонов отразится, а - поглотится. Каждый поглощённый фотон передаёт поверхности импульс , а каждый отражённый .

Тогда давление на поверхность равно

.

Учитывая, что , где - общее число фотонов, а - энергия всех фотонов, получаем:

,

где - объёмная плотность энергии излучения, - коэффициент отражения света. Для зеркальных тел , соответственно , для чёрных , .

Существование светового давления объясняется с точки зрения электромагнитной теории света. При падении электромагнитной волны на металл (рис. 9), под действием электрического поля волны с напряженностью электроны металла будут двигаться в направлении, противоположном вектору со скоростью . Магнитное поле с индукцией действует на движущиеся электроны с силой Лоренца в направлении, перпендикулярном поверхности металла. Таким образом, световая волна оказывает давление на поверхность металла.

Существование светового давления экспериментально доказано опытами П.Н. Лебедева.

Прибор П.Н. Лебедева представлял собой легкий каркас с укрепленными на нем тонкими дисками - светлыми и темными (рис. 10). Диски располагались симметрично относительно оси подвеса, вокруг которой каркас мог поворачиваться. Свет, падая на диски, оказывал на светлые и темные диски различное давление. В результате каркас, подвешенный на тонкой стеклянной нити, испытывал вращающий момент, который закручивал нить. Давление света определялось по углу закручивания нити.

Эффект Комптона

Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона.

В 1923 г. Комптон А., исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянных лучах, наряду с излучением первоначальной длины волны , содержатся лучи большей длины волны .

Разность длин волн оказалась независящей от длины волны и от природы рассеивающего вещества, но зависит от направления рассеяния.

Экспериментально была установлена закономерность: , (11)

где Å – комптоновская длина волны - величина изменения длины волны при рассеянии под прямым углом.

При столкновении фотонов (рис. 11) со свободными электронами наблюдается рассеяние фотонов с измененной частотой, а электроны , испытывающие соударение с фотонами, получают импульс и энергию, благодаря чему они начинают двигаться в определенном направлении. В этом случае выполняются законы сохранение энергии и импульса. Столкновение фотонов с электронами внешне напоминает картину столкновения упругих шаров.

Пусть - энергия падающего фотона, - энергия рассеянного фотона после соударения, - кинетическая энергия электрона до взаимодействия, - кинетическая энергия электрона после взаимодействия, - масса покоя электрона, - масса электрона, движущегося после рассеяния со скоростью . Тогда по закону сохранения энергии:

. (12)

Так как - импульс падающего фотона, - импульс рассеянного фотона, - импульс электрона после столкновения, то закон сохранения импульса:

Из рис. 12 следует закон сохранения импульса в скалярном виде:

. (13)

Из выражений (12) и (13) с учетом , получим формулу: , совпадающую с эмпирической формулой (11). Из сравнения последнего выражения с (11) следует, что .

При рассеянии фотонов на электронах, связь которых с атомом велика, обмен энергией и импульсом происходит с атомом как целым. Поэтому необходимо дополнительно учитывать энергию на отрыв электрона от атома и энергию на сообщение скорости самому атому.

Физика атома