Foto effekt. Foto effekt turlari

Vana fotoelektr effekti bu o'ziga xos ichki fotoelektrik effekt, bu ikki xil yarimo'tkazgich yoki yarimo'tkazgich va metall (tashqi elektr maydoni bo'lmasa) kontaktini yoritganda EMF (foto EMF) ning paydo bo'lishi. Vana fotoelektrik effekti quyosh energiyasini to'g'ridan -to'g'ri elektr energiyasiga aylantirishga yo'l ochadi.

Multifotonli fotoeffekt agar yorug'lik intensivligi juda yuqori bo'lsa (masalan, lazer nurlarini ishlatganda) mumkin. Bunday holda, metall chiqaradigan elektron bir vaqtning o'zida bir emas, balki bir nechta fotonlardan energiya olishi mumkin.

Fotoelektr effektining birinchi fundamental tadqiqotlari rus olimi A.G. Stoletov. Fotoelektr effektini o'rganish sxemasi diagrammada ko'rsatilgan. 2.1.

Ikki elektrod (katod TO sinov materiallari va anod A, vakolatli naychada Stoletov metall to'r ishlatgan) batareyaga ulangan, shuning uchun potansiyometr bilan R siz nafaqat qiymatni, balki ularga qo'llaniladigan kuchlanish belgisini ham o'zgartirishingiz mumkin. Katod monoxromatik nur bilan (kvarts oynasi orqali) yoritilganda paydo bo'ladigan oqim, zanjirga ulangan milliammetr bilan o'lchanadi.

1899 yilda J.J.Tompson va F.Lenard fotoelektr effekti materiyadan elektronlarni chiqarib yuborishini isbotladilar.

Fotoelektr effektining joriy kuchlanish xarakteristikasi (CVC) - fototokka bog'liqlik Men kuchlanishdan elektronlar oqimi natijasida hosil bo'ladi. 2.2.

Bu bog'liqlik katodning ikki xil energetik yoritilishiga to'g'ri keladi (yorug'lik chastotasi har ikki holatda ham bir xil). Borgan sari U fototok asta -sekin o'sib bormoqda, ya'ni. tobora ko'proq fotoelektrlar anodga etib boradi. Egri chiziqlarning yumshoq xarakteri shuni ko'rsatadiki, elektronlar katoddan har xil tezlikda chiqariladi.

Maksimal qiymat to'yinganlik fototoki bu kuchlanish qiymati bilan aniqlanadi U bunda katoddan chiqadigan barcha elektronlar anodga yetadi:

qayerda n- 1 soniyada katod tomonidan chiqarilgan elektronlar soni.

Bu I - V xarakteristikasidan kelib chiqadi U= 0 fototok yo'qolmaydi. Shunday qilib, katoddan chiqarilgan elektronlar ma'lum bir boshlang'ich tezlikka ega, shuning uchun ular nol bo'lmagan kinetik energiyaga ega, shuning uchun ular tashqi maydonsiz katodga etib borishi mumkin. Fototok nolga teng bo'lishi uchun uni biriktirish kerak ushlab turuvchi kuchlanish ... Elektronlarning hech biri, hatto katoddan chiqishda maksimal tezlikka ega bo'lganlar ham, sekinlashuvchi maydonni engib, anodga yeta olmaydi. Demak,

Fotoelektr effekti yorug'lik (ko'rinadigan, infraqizil va ultrabinafsha) ta'sirida moddaning atomlari va molekulalari bilan bog'lanishidan elektronlarning to'liq (yoki qisman) chiqishi deyiladi. Agar elektronlar yoritilgan moddaning tashqarisiga chiqsa (to'liq chiqarish), u holda fotoelektrik effekt tashqi deb ataladi (1887 yilda Xertz tomonidan kashf etilgan va 1888 yilda L. Stoletov tomonidan batafsil o'rganilgan). Agar elektronlar faqat "o'z" atomlari va molekulalari bilan aloqani yo'qotsa, lekin yoritilgan moddaning ichida "erkin elektronlar" (qisman ajralib chiqish) bo'lib qolsa va shu bilan moddaning elektr o'tkazuvchanligi oshsa, fotoelektr effekti ichki deb ataladi (1873 yilda amerikalik fizik U.Smit).

Tashqi fotoelektr effekti metallarda kuzatiladi. Agar, masalan, elektroskopga ulangan va manfiy zaryadlangan sink plastinka ultrabinafsha nurlar bilan yoritilsa, elektroskop tezda zaryadsizlanadi; musbat zaryadlangan plastinka holatida hech qanday oqindi bo'lmaydi. Demak, yorug'lik metalldan manfiy zaryadlangan zarralarni chiqaradi; ularning zaryadini aniqlash (1898 yilda J.J. Tomson tomonidan amalga oshirilgan) bu zarrachalarning elektron ekanligini ko'rsatdi.

Tashqi fotoeffekt tekshirilgan asosiy o'lchash sxemasi rasmda ko'rsatilgan. 368.

Batareyaning manfiy qutbi metall plastinka K (katod) ga, musbat qutbi a (anod) yordamchi elektrodiga ulangan. Ikkala elektrod ham kvarts oynasi F (optik nurlanish uchun shaffof) evakuatsiya qilingan idishga joylashtirilgan. Elektr davri ochiq bo'lgani uchun unda oqim yo'q. Katod K yoritilganda, yorug'lik undan elektronlarni (fotoelektronlarni) chiqaradi, ular anodga shoshiladi; kontaktlarning zanglashiga olib kelishi (oqim).

Zanjir fototokning kuchini o'lchashga imkon beradi (galvanometr va fotoelektronlarning tezligi katod va anod orasidagi kuchlanishning har xil qiymatlarida va katod yoritilishining har xil sharoitida.

Stoletov va boshqa olimlar tomonidan olib borilgan eksperimental tadqiqotlar tashqi fotoelektr ta'sirining quyidagi asosiy qonuniyatlarini o'rnatishga olib keldi.

1. Fotosurat I to'yinganligi (ya'ni, 1 soniyada yorug'lik chiqaradigan elektronlarning maksimal soni) yorug'lik oqimi F ga to'g'ridan to'g'ri proportsionaldir:

bu erda mutanosiblik koeffitsienti yoritilgan yuzaning fotosensitivligi deb ataladi (lumen boshiga mikroamperlarda o'lchanadi, qisqartirilgan -

2. Fotoelektronlarning tezligi tushayotgan yorug'lik chastotasining oshishi bilan ortadi va uning intensivligiga bog'liq emas.

3. Yorug'lik intensivligidan qat'i nazar, fotoeffekt faqat yorug'lik effektining "qizil chegarasi" deb ataladigan nurning ma'lum bir minimal chastotasidan boshlanadi.

Yorug'likning to'lqin nazariyasi asosida fotoelektr ta'sirining ikkinchi va uchinchi qonunlarini tushuntirib bo'lmaydi. Darhaqiqat, bu nazariyaga ko'ra, yorug'lik qizg'inligi metalldagi elektronni "silkitadigan" elektromagnit to'lqin amplitudasining kvadratiga mutanosibdir. Shuning uchun, har qanday chastotali, lekin etarlicha yuqori intensivlikdagi yorug'lik metalldan elektronlarni tortib olishi kerak; boshqacha aytganda, fotoelektr effektining "qizil chegarasi" bo'lmasligi kerak. Bu xulosa fotoeffektning uchinchi qonuniga zid. Bundan tashqari, yorug'lik qanchalik katta bo'lsa, elektron undan kinetik energiyani olishi kerak. Shuning uchun yorug'lik intensivligining oshishi bilan fotoelektron tezligi oshishi kerak edi; bu xulosa fotoelektr ta'sirining ikkinchi qonuniga zid.

Tashqi fotoelektrik effekt qonunlari yorug'lik kvant nazariyasiga asoslangan oddiy talqinni oladi. Bu nazariyaga ko'ra, yorug'lik oqimining kattaligi vaqt birligida metall yuzasiga tushgan yorug'lik kvantlari (fotonlar) soni bilan belgilanadi. Har bir foton faqat bitta elektron bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin. Shunung uchun

fotoelektronlarning maksimal soni yorug'lik oqimiga mutanosib bo'lishi kerak (fotoelektr ta'sirining birinchi qonuni).

Elektron tomonidan so'rilgan fotonning energiyasi elektronning metalldan A chiqish ishiga sarflanadi (Qarang: § 87); bu energiyaning qolgan qismi fotoelektronning kinetik energiyasi, elektron massasi, uning tezligi). Keyin, energiyaning saqlanish qonuniga ko'ra, biz yozishimiz mumkin

1905 yilda Eynshteyn tomonidan taklif qilingan va keyinchalik ko'plab tajribalar bilan tasdiqlangan bu formulaga Eynshteyn tenglamasi deyiladi.

To'g'ridan -to'g'ri Eynshteyn tenglamasidan ko'rinib turibdiki, fotoelektron tezligi yorug'lik chastotasining ortishi bilan ortadi va uning intensivligiga bog'liq emas (chunki u yorug'lik intensivligiga bog'liq emas). Bu xulosa fotoeffektning ikkinchi qonuniga mos keladi.

(26) formulaga ko'ra, yorug'lik chastotasining pasayishi bilan fotoelektronlarning kinetik energiyasi kamayadi (ma'lum bir yoritilgan modda uchun A qiymati doimiy). Juda past chastotada (yoki to'lqin uzunligida fotoelektronning kinetik energiyasi nolga aylanadi va fotoelektr effekti to'xtaydi (fotoeffektning uchinchi qonuni). elektron ish funktsiyasini bajaradi

Formulalar (27) fotoeffektning "qizil chegarasi" ni belgilaydi. Bu formulalardan kelib chiqadiki, bu ish funktsiyasining qiymatiga bog'liq (fotokatod materialiga).

Jadvalda ba'zi metallar uchun A (elektron-voltli) ish funktsiyasining qiymatlari va fotoelektr effektining qizil chegarasi (mikrometrda) ko'rsatilgan.

(skanerlashga qarang)

Jadvaldan ko'rinib turibdiki, masalan, volframga joylashtirilgan seziy plyonkasi hatto infraqizil nurlanish ostida ham fotoeffekt beradi, natriyda fotoeffekt faqat ko'rinadigan va ultrabinafsha nurlar, ruxda esa faqat ultrabinafsha nurlar ta'sirida paydo bo'lishi mumkin.

Muhim jismoniy va texnik qurilma vakuumli fotosel deb ataladigan tashqi fotoelektrik effektga asoslangan (bu 368 -rasmda sxematik tarzda ko'rsatilgan o'rnatishning ma'lum bir modifikatsiyasi).

Vakuumli fotoselning katod K - evakuatsiya qilingan shisha idishning ichki yuzasiga yotqizilgan metall qatlami (369 -rasm; G - galvanometr); anod A silindrning markaziy qismiga joylashtirilgan metall halqa shaklida yasalgan. Katod yoritilganda, fotosel zanjirida elektr oqimi paydo bo'ladi, uning kuchi yorug'lik oqimiga mutanosib.

Ko'pgina zamonaviy fotosellarda yuqori sezuvchanlikka ega bo'lgan surma-seziy yoki kislorod-seziy katodlari mavjud. Seziy kislorod hujayralari infraqizil va ko'rinadigan nurga sezgir (sezuvchanlik sezyum surma hujayralari ko'rinadigan va ultrabinafsha nurlarga sezgir.

Ba'zi hollarda fotoselning sezuvchanligini oshirish uchun u taxminan 1 Pa bosim ostida argon bilan to'ldiriladi. Bunday fotoelementdagi fototok argon atomlari bilan fotoelektronlarning to'qnashuvi natijasida kelib chiqadigan argon ionlanishi tufayli kuchayadi. Gaz bilan to'ldirilgan fotosellarning fotosensitivligi taxminan

Ichki fotoelektr effekti yarimo'tkazgichlarda va kamroq darajada dielektriklarda kuzatiladi. Ichki fotoelektr effektini kuzatish sxemasi rasmda ko'rsatilgan. 370. Yarimo'tkazgich plastinka galvanometr bilan batareyaning qutblariga ketma -ket ulanadi. Yarimo'tkazgich yuqori qarshilikka ega bo'lgani uchun bu sxemadagi oqim ahamiyatsiz. Biroq, plastinka yoritilganda, davrdagi oqim keskin ko'tariladi. Buning sababi shundaki, yorug'lik yarimo'tkazgich atomlaridan elektronlarni chiqaradi, ular yarimo'tkazgich ichida qolib, uning elektr o'tkazuvchanligini oshiradi (qarshilik kamayadi).

Ichki fotoelektrik effektga asoslangan fotosellar yarimo'tkazgichli fotoelementlar yoki fotorezistorlar deb ataladi. Ularni ishlab chiqarish uchun selen, qo'rg'oshin sulfidi, kadmiy sulfidi va boshqa ba'zi yarimo'tkazgichlar ishlatiladi. Yarimo'tkazgichli fotosellarning fotosensitivligi vakuumli fotosellarning fotosensitivligidan yuzlab baravar yuqori. Ba'zi fotosellar aniq spektral sezuvchanlikka ega. Selenli fotosel inson ko'zining spektral sezuvchanligiga yaqin spektral sezuvchanlikka ega (304 -rasm, § 118).

Yarimo'tkazgichli fotoelementlarning kamchiligi ularning sezilmaydigan inertligidir: fotoselning yoritilishining o'zgarishiga nisbatan fototokning o'zgarishi kechiktiriladi. Shuning uchun, yarimo'tkazgich

fotosellar tez o'zgaruvchan yorug'lik oqimlarini ro'yxatga olish uchun yaroqsiz.

Fotoselning yana bir turi ichki fotoelektrik effektga asoslangan - blokirovka qatlami yoki vana fotoselli yarimo'tkazgichli fotosel. Ushbu fotoselning diagrammasi rasmda ko'rsatilgan. 371.

Metall plastinka va uning ustiga qo'yilgan ingichka yarimo'tkazgichli qatlam galvanometrli metallni o'z ichiga olgan tashqi elektr zanjiri bilan bog'langan. Yarimo'tkazgich qatlami yoritilganda, ichki fotoelektr effekti tufayli unda erkin elektronlar paydo bo'ladi. (Xaotik harakat jarayonida) blokirovka qiluvchi qatlam orqali metallga o'tishi va teskari yo'nalishda harakat qila olmasligi natijasida bu elektronlar metallda ortiqcha manfiy zaryad hosil qiladi. "O'z" elektronlarining bir qismidan mahrum bo'lgan yarimo'tkazgich musbat zaryadga ega bo'ladi. Yarimo'tkazgich va metall o'rtasida yuzaga keladigan potentsial farq (0,1 V tartibda) fotosel zanjirida tok hosil qiladi.

Shunday qilib, vana fotosel - yorug'lik energiyasini to'g'ridan -to'g'ri elektr energiyasiga aylantiradigan oqim generatori.

Vana fotoselida yarimo'tkazgich sifatida selen, mis oksidi, taliy sulfidi, germaniy, kremniy ishlatiladi. Vana fotosellarining fotosensitivligi - bu

Zamonaviy silikon quyosh batareyalarining samaradorligi (quyosh nuri bilan yoritilgan) nazariy hisob -kitoblarga ko'ra, uni 22%gacha oshirish mumkin.

Fototo'kish yorug'lik oqimiga mutanosib bo'lgani uchun, fotoelementlar fotometrik asboblar sifatida ishlatiladi. Bunday qurilmalarga, masalan, yorug'lik o'lchagich (yorug'lik o'lchagich) va fotoelektrik ta'sir qilish o'lchagich kiradi.

Fotosel, yorug'lik oqimining tebranishlarini ovozli filmlar, televizor va boshqalarda keng qo'llaniladigan fototokning mos keladigan tebranishlariga aylantirish imkonini beradi.

Fotosellar telemexanizatsiya va ishlab chiqarish jarayonlarini avtomatlashtirishda juda muhim ahamiyatga ega. Elektron kuchaytirgich va o'rni bilan birgalikda fotosel yorug'lik signallariga javob beradigan, turli sanoat va qishloq xo'jaligi qurilmalari va transport mexanizmlarining ishlashini boshqaradigan avtomatik qurilmalarning ajralmas qismi hisoblanadi.

Quvvat generatorlari sifatida vana fotosellaridan amaliy foydalanish juda istiqbolli. Quyosh xujayralari deb nomlangan kremniyli quyosh batareyalari batareyalari sovet kosmik sun'iy yo'ldoshlari va kemalarida radio uskunalarini quvvatlantirish uchun muvaffaqiyatli ishlatilmoqda. Buning uchun fotosellarning umumiy maydoni etarlicha katta bo'lishi kerak. Masalan, "Soyuz-3" kosmik kemasida quyosh xujayralarining sirt maydoni taxminan edi

Quyosh batareyalarining samaradorligi 20-22%gacha ko'tarilganda, ular, shubhasiz, sanoat va maishiy ehtiyojlar uchun elektr energiyasi ishlab chiqaruvchi manbalar orasida katta ahamiyatga ega bo'ladi.

Top of Form

Bottom of Form