Курс физики для вузов - часть 96

§ 204. Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано

действие фотоэлектронных приборов,
получивших разнообразное примене-
ние в различных областях науки и тех-
ники. В настоящее время практически

невозможно указать отрасли производ-
ства, где бы не использовались фото-

элементы — приемники излучения, ра-

ботающие на основе фотоэффекта и
преобразующие энергию излучения в
электрическую.

Простейшим фотоэлементом с вне-

шним фотоэффектом является ваку-

умный фотоэлемент. Он представля-

ет собой откачанный стеклянный бал-
лон, внутренняя поверхность которого

(за исключением окошка для доступа

излучения) покрыта фоточувствитель-
ным слоем, служащим фотокатодом.
В качестве анода обычно используется
кольцо или сетка, помещаемая в цент-
ре баллона. Фотоэлемент включается в
цепь батареи, ЭДС которой выбирает-
ся такой, чтобы обеспечить фототок на-
сыщения. Выбор материала фотокато-

да определяется рабочей областью

спектра: для регистрации видимого све-
та и инфракрасного излучения исполь-
зуется кислородно-цезиевый катод, для
регистрации ультрафиолетового излу-

чения и коротковолновой части

мого света — сурьмяно-цезиевый.

Вакуумные фотоэлементы безынер-

ционны, и для них наблюдается стро-
гая пропорциональность фототока ин-
тенсивности излучения. Эти свойства
позволяют использовать вакуумные
фотоэлементы в качестве фотометри-

ческих приборов, например фотоэлек-

трический экспонометр, люксметр (из-
меритель освещенности) и т. д.

Для увеличения интегральной чув-

ствительности вакуумных фотоэле-
ментов (фототок насыщения, приходя-

щийся на 1 лм светового потока) бал-
лон заполняется разреженным инерт-
ным газом

 или Ne при давлении

 — 13 Па). Фототок в таком эле-

менте, называемом газонаполненным,

усиливается вследствие ударной иони-
зации молекул газа фотоэлектронами.

Интегральная чувствительность газона-

полненных фотоэлементов

 мА/лм)

гораздо выше, чем для вакуумных
(20

 мкА/лм), но они обладают по

сравнению с последними большей
инерционностью (менее строгой про-
порциональностью фототока интенсив-
ности излучения), что приводит к огра-
ничению области их применения.

Для усиления фототока применя-

ются уже рассмотренные выше (см.
рис. 157) фотоэлектронные умножи-
тели, в которых наряду с фотоэффек-
том используется явление вторичной
электронной эмиссии (см. § 105). Раз-
меры фотоэлектронных умножителей
немного превышают размеры обычной
радиолампы, общий коэффициент уси-

ления составляет

 (при напряже-

нии питания 1 — 1,5 кВ), а их интеграль-
ная чувствительность может достигать

10

 Поэтому фотоэлектронные

умножители начинают вытеснять фото-
элементы, правда, их применение свя-
зано с использованием высоковольт-
ных стабилизированных источников
питания, что несколько неудобно.

Фотоэлементы с внутренним фото-

эффектом, называемые полупроводни-
ковыми фотоэлементами или фото-
сопротивлениями {фоторезистора-

ми), обладают гораздо большей интег-

ральной чувствительностью, чем ваку-
умные. Для их изготовления использу-
ются PbS,

 PbSe и некоторые

гие полупроводник!!. Если фотокатоды
вакуумных

 и фотоэлек-

тронных умножителей имеют красную
границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм,

383

то применение
позволяет производить измерения в да-
лекой инфракрасной области спектра

(3—4

 а также в областях рентге-

новского и гамма-излучений. Кроме
того, они малогабаритны и имеют
кос

 питания. Недостаток

фотосопротивлений — их заметная инер-
ционность, поэтому они непригодны
для регистрации быстропеременных
световых потоков.

Фотоэлементы с вентильным фото-

эффектом, называемые вентильными
фотоэлементами (фотоэлемента-

ми с запирающим слоем), обладая, по-

добно элементам с внешним фотоэф-
фектом, строгой

 юстыо

фототока интенсивности излучения,
имеют

 по сравнению с ними

интегральную чувствительность (при-
мерно 2 — 30 мА/лм) и не нуждаются во
внешнем источнике

 К числу вен-

тильных фотоэлементов относятся гер-
маниевые, кремниевые, селеновые,

 сернисто-серебряные и др.

Кремниевые и другие вентильные

фотоэлементы применяются для созда-
ния солнечных батарей, непосредствен-

но преобразующих световую энергию в
электрическую. Эти батареи уже в те-
чение многих лет работают па косми-

ческих спутниках и кораблях. КПД
этих батарей составляет «10%) и, как
показывают теоретические расчеты, мо-
жет быть доведен до «22 %, что откры-
вает широкие перспективы их исполь-
зования в качестве источников элект-
роэнергии для бытовых и производ-
ственных

Рассмотренные виды фотоэффекта

используются также в производстве для
контроля, управления и автоматизации
различных процессов, в военной техни-
ке для сигнализации и локации невиди-
мым излучением, в технике звукового
кино, в различных системах связи и т.д.

§ 205. Энергия и импульс фотона.

Давление света

Согласно гипотезе световых квантов

Эйнштейна, свет испускается, поглоща-

ется и распространяется дискретными
порциями (квантами), названными фо-
тонами. Энергия фотона

(205.1)

Фотон всегда движется со скорос-

тью с — скоростью распространения

света в вакууме.

Согласно теории

полная

 свободной частицы

(40.3)

В случае фотона v =

 знаменатель

этого выражения обращается в нуль.

Поскольку фотон имеет конечную энер-
гию [см. (205.1)], то это возможно лишь
при условии, что масса фотона равна
нулю.

Воспользовавшись связью Е

2

 —

 —

= m'V (40.5) и учитывая, что для фо-

тона

 = 0, видим, что фотон обладает

не только энергией (205.1), но и импуль-
сом

(205.2)

Выражения (205.1) и (205.2) связы-

вают корпускулярные характеристики
фотона — импульс и энергию — с вол-
новой характеристикой света — его час-
тотой У.

Если фотоны обладают импульсом,

то свет,

 на тело, должен ока-

зывать на него давление. Согласно

квантовой теории, давление света на
поверхность обусловлено тем, что каж-
дый фотон при соударении с поверхно-
стью передает ей свой импульс.

384

Рассчитаем с точки

 квантовой

теории световое давление, оказываемое
на поверхность тела потоком монохро-

матического излучения (частота у), па-

дающего перпендикулярно поверхнос-

ти. Если в единицу времени на едини-
цу площади поверхности тела падает N
фотонов, то при коэффициенте отраже-
ния р света от поверхности тела отра-
зится

 фотонов, а поглотится  —

Каждый поглощенный

 передает

hv

поверхности импульс р = —, а

 2hv

 — 2р

 (при отраже-

нии импульс фотона изменяется па —р).
Давление света на поверхность равно
импульсу, который передают поверхно-
сти в 1 с N фотонов:

Nhv

 есть

 всех фотонов,

падающих на единицу поверхности в
единицу времени, т.е. энергетическая
освещенность поверхности (см. § 168),
a

 объемная плотность энер-

с

 излучения. Поэтому давление, про-

изводимое светом при нормальном па-

дении на поверхность,

;205.3)

Формула (205.3), выведенная на ос-

нове квантовых представлений, совпа-

дает с выражением, получаемым из
электромагнитной (волновой) теории

Максвелла (см. § 163). Таким образом,

давление света одинаково успешно
объясняется как волновой, так и кван-
товой теорией. Как уже указывалось
(см. § 163), экспериментальное доказа-
тельство существования светового дав-

ления на твердые тела и газы

 в

опытах П.Н.Лебедева, сыгравших в

свое время большую роль в утвержде-
нии теории Максвелла.

Лебедев использовал легкий подвес

на топкой нити, по краям которого при-
креплены легкие крылышки, одни из
которых зачернены, а поверхности дру-
гих зеркальные. Для исключения кон-
векции и радиометрического эффекта

(см. § 49) использовалась подвижная
система зеркал, позволяющая направ-

лять свет на обе поверхности крылы-
шек, подвес помещался в откачанный
баллон, крылышки подбирались очень
тонкими (чтобы температура обеих по-

верхностей была одинакова). Световое

давление на крылышки определялось

по углу закручивания нити подвеса и
совпадало с теоретически рассчитан-
ным. В частности оказалось, что давле-
ние света на зеркальную поверхность
вдвое больше, чем на зачерненную [см.
(205.3)].

§ 206. Эффект

и его элементарная теория

Наиболее полно корпускулярные

свойства света проявляются в эффекте

Комптона. Американский физик А. Ком-

 (1892-1962), исследуя в 1923 г.

рассеяние монохроматического рентге-
новского излучения веществами с лег-
кими атомами (парафин, бор), обнару-
жил, что в составе рассеянного излуче-
ния наряду с излучением первоначаль-
ной длины волны наблюдается также
более длинноволновое излучение. Опы-
ты показали, что разность АХ =

 — X

не зависит от

 волны X падающе-

го излучения и

 рассеивающе-

го вещества, а определяется только уг-

лом рассеяния

1 3 Куре физики

385

где

 — длина волны рассеянного из-

лучения;

 — комптоновская длина

волны (при рассеянии фотона на элек-
троне

 = 2,426 пм).

Эффектом Комптона называется

упругое рассеяние коротковолнового

электромагнитного излучения (рентге-
новского и

 на свободных

(или слабосвязанных) электронах ве-

щества, сопровождающееся увеличени-
ем длины волны. Этот эффект не укла-
дывается в рамки волновой теории, со-
гласно которой длина волны при рас-
сеянии изменяться не должна: под дей-
ствием периодического поля световой

волны электрон колеблется с частотой
поля и поэтому излучает рассеянные
волны той же частоты.

Объяснение эффекта Комптона да-

но на основе квантовых представлений
о природе света. Если считать, как это
делает квантовая теория, что излучение
имеет корпускулярную природу, т.е.
представляет собой поток фотонов, то
эффект Комптона — результат упруго-
го столкновения рентгеновских фото-
нов со свободными электронами веще-

ства (для легких атомов электроны сла-
бо связаны с ядрами атомов, поэтому их
можно считать свободными). В процес-
се этого столкновения фотон передает
электрону часть своих энергии и им-
пульса в соответствии с законами их
сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение

двух частиц (рис. 294) — налетающего
фотона, обладающего импульсом р = —

и энергией е = hv, с покоящимся сво-
бодным электроном (энергия покоя

 —

 т — масса электрона). Фо-

тон, столкнувшись с электроном, пере-
дает ему часть своей энергии и импуль-

са и изменяет направление движения
(рассеивается). Уменьшение энергии
фотона означает увеличение длины
волны рассеянного излучения. При
каждом столкновении выполняются
законы сохранения энергии и импульса.

Согласно закону сохранения энер-

гии,

(206.2)

а согласно закону сохранения импульса,

(206.3)

где

 — энергия электрона до

столкновения; Е = hv — энергия нале-
тающего фотона; W =

 +

 —

энергия электрона после столкновения

(используется релятивистская форму-

ла, так как скорость электрона отдачи в

общем случае значительна);  = hv' —
энергия рассеянного фотона.

Подставив в выражение (206.2) зна-

чения величин и представив (206.3) в
соответствии с рис. 294, получим

Рис. 294

Решая уравнения (206.4) и (206.5)

совместно, получим

Поскольку

Выражение (206.6) есть не что иное,

как полученная экспериментально

386