Фотоэффект. Применение фотоэффекта

В аэронавигации, в  военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для  них прозрачны.

Сочетание фотоэффекта  со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ): слабый пучок фотоэлектронов, ускоряясь попадает на ряд катодов, выбивая из каждого вторичные электроны и лавинообразно усиливаясь. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок. 

На явлении внутреннего  фотоэффекта основана работа фото-сопротивлений.

Простейшее фотосопротивление  представляет собой пластинку изолятора, на которую нанесен тонкий слой полупроводника. При освещении пластинки возникает  фотопроводимость и в цепи фотосопротивления идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике.

Фотосопротивления позволяют на расстоянии автоматически  обнаружить нарушения нормального  хода различных производственных процессов  и останавливать в этих случаях  процессы. При нарушениях нормального  хода процесса может измениться световой поток, попадающий на фотоэлемент, в  результате изменяется сила фототока, и изменяется ход всего процесса.

Фотосопротивления применяются для сортировки массовых изделий по их размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В  зависимости от силы фототока автоматически  производится сортировка изделий.  

Устройство фотоэлемента  с запирающим слоем (вентильный  фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другим пластинки, изготовленные из металла и его окиси (полупроводник) покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его окисью имеет одностороннюю электропроводность - электроны могут проходить лишь в направлении от окиси металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей, которые устанавливаются на космических кораблях.

 

Применение  фотоэффекта в  медицине

 

Электровакуумные  или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан  на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.

Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит  из источника электронов — фотокатода , на который попадает свет, и анода.

Вся система заключена  в стеклянный баллон, из которого откачан  воздух. Фотокатод, представляющий собой  фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть  внутренней поверхности баллона. На рисунке дана схема включения  фотокатода в цепь.  

Для вакуумных фотоэлементов  рабочим режимом является режим  насыщения, которому соответствуют  горизонтальные участки ВАХ, полученных при разных значениях светового  потока.      

Основной параметр фотоэлемента — его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах  достигает значения порядка 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные  фотоэлементы, в которых возникает  несамостоятельный темный разряд в  инертном газе, и вторичную электронную эмиссию — испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

 Падающие на фотокатод фотоны эмитируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде). В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.

ФЭУ применяют главным  образом для измерения малых  лучистых потоков, в частности ими  регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических  исследованиях.

На внешнем фотоэффекте  основана работа электронно-оптического  преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения  из одной области спектра в  другую, а также для усиления яркости  изображений. Световое изображение объекта, проецированное на полупрозрачный фотокатод , преобразуется  в электронное изображение . Ускоренные и сфокусированные электрическим  полем электродов электроны попадают на люминесцентный экран . Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое .

В медицине ЭОП применяют  для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно  уменьшить дозу облучения человека.

Если сигнал с  ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются  на экране либо цветом при цветном  изображении, либо светом, если изображение  черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.

Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока.

Медная пластинка, служащая одним из электродов, покрывается  тонким слоем закиси меди Сu2О (полупроводник). На закись меди наносится прозрачный слой металла (например, золото Аu), который служит вторым электродом. Если фотоэлемент осветить через второй электрод, то между электродами возникнет фото-э.д.с., а при замыкании электродов, в электрической цепи пойдет ток, зависящий от светового потока.

Чувствительность  вентильных фотоэлементов достигает  нескольких тысяч микроампер на люмен.

На основе высокоэффективных  вентильных фотоэлементов с к.п.д., равным 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.

Зависимость силы фототока от освещенности (светового потока) позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, что находит применение в санитарно-гигиенической практике и при фотографировании для определения  экспозиции (в экспонометрах).

Некоторые вентильные фотоэлементы (сернисто-таллиевый, германиевый и др.) чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, т. е. как бы расширяют возможности зрения. Другие фотоэлементы (селеновые) имеют спектральную чувствительность, близкую к человеческому глазу, это открывает возможности использования их в автоматических системах и приборах вместо глаза как объективных приемников видимого диапазона света.

На явлении фотопроводимости основано и явление фоторезистора.

Простейшее фотосопротивление  представляет собой тонкий слой полупроводника  с металлическими электродами  и  изолятором. Фотосопротивления, как  и фотоэлементы, позволяют определять некоторые световые характеристики и используются в автоматических системах и измерительной аппаратуре.

 

Заключение

 

Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц законы квантовой механики.

Это  явление, уже в наше время широко применяется в промышленности и быту. Ведь на этом явлении основана и работает солнечная батарея, системы тепловидения применяемые для обзора местности, охраны окружающей среды, обнаружения лесных пожаров, контроля качества продукции и ещё много где. Преимуществом этих систем является их способность работать в любое время суток и в неблагоприятных погодных условиях, и кто знает, как бы мы  сейчас жили без этого явления.

Я считаю, что всё большее применение этого явления поможет человечеству решить многие проблемы, такие как: экология нашей планеты, исследование дальнего космоса и т.д..  

 

 

Литература

 

1. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие. – 5-е изд. испр. – М.: Наука. Главная редакция физико – математической литературы, 1976. – 928 с.
2. Годжаев Н.М. Оптика. Учеб. пособие для вузов. – М.: «Высшая школа», 1977. – 432 с.
3. Шпольский Э.В. Атомная физика. Том 1: Введение в атомную физику. Учебное пособие. – 7-е изд. исправл. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 552 с.
4. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – 3-е изд. испр. – М.: Наука, Гл. ред. физ. – мат. лит., 1987. – 320 с.
5. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Оптика и атомная физика: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 408 с.

6. Википедия. Фотоэффект // URL: http://ru.wikipedia.org